ТЕПЛООБМЕННИК ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА
ELECTROLYTIC CELL HEAT EXCHANGER

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к системе сбора неочищенного газа для собирания неочищенного газа из множества алюминиевых электролизеров. Изобретение также относится к способу перемещения отводимого потока неочищенного газа из алюминиевого электролизера в общий сборный канал.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Алюминий часто производят посредством процесса электролиза, используя один или более электролизеров для производства алюминия. Такие электролизеры, как правило, включают ванну, в которой находится содержимое ванны, включающее фторидсодержащие минералы поверх расплавленного алюминия. Содержимое ванны находится в контакте с катодными электродными блоками и анодными электродными блоками. Оксид алюминия поступает в ванну с регулярными интервалами через отверстия в нескольких положениях вдоль центра электролизера и между рядами анодов.
Электролитическая реакция, происходящая в электролизерах, производит горячий отходящий газ, который содержит газообразные компоненты, являющиеся нежелательными для атмосферы, в том числе фторид водорода, диоксид серы и т.п. В данном процессе также образуется тонкая пыль. Нежелательные газообразные компоненты и пыль необходимо нейтрализовать благоприятным для окружающей среды способом; таким образом, неочищенный газ от электролизеров собирают и направляют в газоочистную установку, где любые нежелательные компоненты предпочтительно отделяют с максимально возможной эффективностью. Пыль и газообразные компоненты, такие как фторид водорода, можно возвращать в алюминиевые электролизеры, где они могут способствовать производственному процессу.
Типичная газоочистная установка может включать скруббер сухой очистки и пылеулавливающий фильтр, например тканевый фильтр, который может относиться к типу рукавного фильтра. Как правило, установлена система сбора неочищенного газа для собирания неочищенного газа из множества электролизеров и транспортировки неочищенного газа в очистную установку. Рассмотрение таких систем заключается в том, что в системах очистки дымовых газов часто необходимы потребляющие энергию вентиляторы, чтобы активно втягивать неочищенный газ из электролизеров и через газоочистную установку. Это имеет место, поскольку собирающие неочищенный газ каналы и газоочистная установка могут создавать гидравлическое сопротивление в системах сбора и очистки дымовых газов.
WO 03/001106 описывает систему каналов для транспортировки неочищенного технологического газа из множества отдельно расположенных алюминиевых электролизеров в центральную газофильтрационную установку. WO 03/001106 решает проблему потребления энергии при транспорте газа путем снабжения каждого отводного канала в месте, где он входит в общий сборный канал, сужающейся выпускной секцией, которая параллельна газовому потоку в общем сборном канале, с тем чтобы выпускать отводимый газовый поток в общий сборный канал при скорости, которая превышает скорость газового потока в общем сборном канале. В результате этого требуется меньше энергии для транспортировки газа. Однако существует необходимость в дополнительном уменьшении количества энергии, требуемой для транспортировки неочищенного газа.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно аспектам, проиллюстрированным здесь, вышеуказанные недостатки и проблемы уровня техники по меньшей мере частично преодолеваются или устраняются предложенной системой сбора неочищенного газа для собирания неочищенного газа из множества алюминиевых электролизеров. Данная система сбора неочищенного газа включает общий сборный канал для прохождения потока неочищенного газа общего сборного канала в направлении потока общего сборного канала и множество отводных каналов, причем каждый из упомянутых отводных каналов имеет впуск, проточно соединенный с электролизером для втягивания из него соответствующего отводимого потока неочищенного газа, и выпускной конец, проточно соединенный с общим сборным каналом. Выпускные концы отводных каналов оборудованы, каждый, совмещающей секцией для совмещения направления отводимого потока с направлением потока в упомянутом общем сборном канале, выпускным отверстием и конструкцией для ускорения отводимого потока через выпускное отверстие в общий сборный канал. Каждый из по меньшей мере двух отводных каналов из упомянутого множества отводных каналов также оборудован теплообменником. Каждый из упомянутых теплообменников оборудован теплопередающим элементом, расположенным на пути движения соответствующего отводимого потока, для передачи тепла от соответствующего отводимого потока неочищенного газа теплопередающей среде, а также для создания гидравлического сопротивления в соответствующем отводном канале. Такое гидравлическое сопротивление способствует уравновешиванию скорости отводимых потоков по меньшей мере двух отводных каналов. Каждому теплообменнику свойственно гидравлическое сопротивление, и поэтому он вызывает перепад давления на своих входе и выходе. То же самое относится к конструкциям в каждом из выпускных концов. Перепад давления на каждом из теплообменников действует, в сочетании с перепадом давления на каждой из конструкций, таким образом, чтобы более равномерно уравновешивать расходы/скорости отводимых потоков между упомянутыми по меньшей мере двумя отводными каналами. В результате этого в соответствующих электролизерах можно получать более прогнозируемые технологические условия, поскольку подача глинозема в электролизеры, а также весь процесс производства алюминия как таковой, зависят, например, от состава и потока газа внутри электролизеров, а также от температуры и давления упомянутого газа. Кроме того, конструкция и теплопередающий элемент в каждом отводном канале увеличивает гидравлическое сопротивление отводного канала, таким образом уменьшая необходимость, например, в регулировочных демпферах отводного канала. Регулировочные демпферы канала часто используют для регулирования давления вдоль общего сборного канала с тем, чтобы обеспечивать в нем более согласованное/однородное давление. Уменьшение необходимости в регулировочных демпферах канала сокращает суммарное потребление энергии системой сбора неочищенного газа.
Согласно одному варианту реализации теплообменник и конструкция в каждом из упомянутых по меньшей мере двух отводных каналов предназначены, при их использовании, совместно создавать по меньшей мере 50% суммарного перепада давления неочищенного газа от впуска соответствующего отводного канала до соответствующего выпускного отверстия. Это приводит к еще более однородному уравновешиванию отводимых потоков среди отводных каналов. Кроме того, чем больше перепад давления, создаваемый компонентами, выполняющими дополнительную функцию, такую как теплообмен или ускорение газа, тем меньше энергии требуется для движения газа через систему. Путем создания перепадов давления с использованием таких «бифункциональных» компонентов в упомянутых по меньшей мере двух отводных каналах, т.е. между впусками и выпускными отверстиями соответствующих отводных каналов, из системы можно исключить «монофункциональные» создающие перепад давления компоненты, такие как демпферы.
Согласно одному варианту реализации конструкция в каждом из упомянутых по меньшей мере двух отводных каналов снабжена регулируемой заслонкой для управления ускорением соответствующего отводимого потока в общий сборный канал. Это увеличивает эффективность ускорения, в то же время уменьшая необходимость в дополнительном регулировочном демпфере в отводном канале для тонкой регулировки гидравлического сопротивления внутри отводного канала.
Согласно одному варианту реализации теплопередающий элемент каждого из упомянутых по меньшей мере двух отводных каналов расположен у выпускного отверстия. Тем самым, конструкция для ускорения неочищенного газа образована самим теплопередающим элементом. Кинетическая энергия газа в теплообменнике вследствие этого будет лучше сохраняться при входе в общий сборный канал.
Согласно одному варианту реализации по меньшей мере один из упомянутых по меньшей мере двух отводных каналов оборудован регулировочным демпфером для тонкой регулировки гидравлического сопротивления в соответствующем отводном канале. В результате этого можно с более высокой точностью регулировать скорости течения соответствующих отводимых потоков.
Согласно одному варианту реализации упомянутые по меньшей мере два отводных канала составляют по меньшей мере 30% всех отводных каналов, проточно соединенных с упомянутым общим сборным каналом. Снабдив значительное число отводных каналов теплообменниками, можно получать более однородные скорости потоков неочищенного газа из каждого из отводных каналов, связанных с общим сборным каналом. Кроме того, если значительное число отводных каналов оборудованы теплообменниками, уравновешивающее действие на скорости потоков неочищенного газа в различных отводных каналах приводит к некоторому выравниванию скоростей потоков неочищенного газа через любые отводные каналы без теплообменников.
Согласно одному варианту реализации упомянутые по меньшей мере два отводных канала с теплообменниками проточно соединены с общим сборным каналом ниже по потоку газа относительно множества отводных каналов, которые не оборудованы теплообменниками. Это - наиболее эффективное расположение отводных каналов с теплообменниками/увеличенным гидравлическим сопротивлением, поскольку неочищенный газ, протекающий из отводных каналов, не оборудованных теплообменниками, т.е. без соответствующего дополнительного гидравлического сопротивления, естественно испытывает перепад давления, обусловленный относительно большим расстоянием, которое должен пройти поток через общий сборный канал.
Согласно одному варианту реализации теплообменники в упомянутых по меньшей мере двух отводных каналах включают соответствующие камеры впуска неочищенного газа для приема отводимых потоков неочищенного газа и соответствующие множества параллельных, разнесенных, охлаждающих неочищенный газ трубок. Такие теплообменники являются экономически желательными вследствие низких уровней образования внутренней отложений и низких суммарных потерь энергии в системе, даже если в результате этого создается гидравлическое сопротивление. Соответственно, можно обеспечивать низкие суммарные потери энергии в системе, все еще сохраняя достаточный перепад давления, чтобы уравновешивать скорости соответствующих отводимых потоков неочищенного газа. Согласно одному варианту реализации каждая охлаждающая неочищенный газ трубка имеет впускную воронку охлаждающей трубки для увеличения скорости потока неочищенного газа в охлаждающую трубку. Впускные воронки могут уменьшать образование отложений и могут быть лучше приспособлены для «двухцелевого» гидравлического сопротивления неочищенного газа.
Согласно другим аспектам, описанным здесь, перечисленные выше недостатки и проблемы уровня техники практически преодолеваются или устраняются способом перемещения отводимого потока неочищенного газа из алюминиевого электролизера в общий сборный канал. Данный способ включает охлаждение упомянутого отводимого потока неочищенного газа в теплообменнике так, чтобы получить охлажденный неочищенный газ. Скорость отводимого потока неочищенного газа увеличивается при его входе в общий сборный канал в направлении его потока или при его совмещении с направлением потока неочищенного газа, уже протекающего через общий сборный канал.
Согласно одному варианту реализации упомянутый теплообменник увеличивает скорость отводимого потока неочищенного газа при его входе в общий сборный канал.
Согласно одному варианту реализации упомянутый способ осуществляют на каждом из множества электролизеров вдоль общего сборного канала.
Согласно следующим аспектам, описанным здесь, вышеупомянутые недостатки и проблемы уровня техники практически преодолеваются или устраняются применением теплообменника для увеличения скорости отводимого потока неочищенного газа из алюминиевого электролизера в общий сборный канал. В результате этого расходуется/требуется меньше энергии для сбора неочищенного газа.
Согласно следующим аспектам, описанным здесь, вышеупомянутые недостатки и проблемы уровня техники практически преодолеваются или устраняются применением множества создающих гидравлическое сопротивление теплообменников для уравновешивания множества отводимых потоков в соответствующем множестве отводных каналов. Каждый из упомянутых отводных каналов расположен между соответствующим алюминиевым электролизером и общим сборным каналом. В результате этого отдельные отводимые потоки из упомянутого множества отводимых потоков могут иметь более однородные или уравновешенные скорости потоков неочищенного газа, и/или может расходоваться меньше энергии для сбора неочищенного газа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Перечисленные выше, а также дополнительные цели, признаки и преимущества станут более понятными посредством следующего иллюстративного и неограничительного подробного описания примерных вариантов реализации при обращении к прилагаемым чертежам, на которых аналогичные элементы имеют аналогичные численные обозначения, в том числе:
фиг. 1 представляет схематический вид сверху завода по производству алюминия;
фиг. 2 представляет схематический вид сбоку в разрезе по линии II-II завода по производству алюминия по фиг. 1;
фиг. 3 представляет схематический вид сверху в разрезе выпускного конца отводного канала, проиллюстрированного на фиг. 2;
фиг. 4 представляет схематический вид в перспективе теплообменника;
фиг. 5 представляет схематический вид сверху в разрезе альтернативного варианта реализации выпускного конца отводного канала, такого как канал, проиллюстрированный на фиг. 2; и
фиг. 6 представляет схематический вид сверху в разрезе еще одного альтернативного варианта реализации выпускного конца отводного канала, такого как канал, проиллюстрированный на фиг. 2.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРИМЕРНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ
Фиг. 1 представляет схематическую иллюстрацию завода 10 по производству алюминия в виде сверху. Завод 10 по производству алюминия включает множество электролизных цехов, или электролизных корпусов, 12AB и 12CD, каждый из которых включает в себя некоторое число электролизеров для получения алюминия, или алюминиевых электролизеров, 14. Электролизеры 14 организованы в электролизные линии хорошо известным специалистам в данной области техники образом. Электролизная линия включает в себя множество электролизеров, соединенных последовательно в цепь постоянного тока (DC). Фиг. 1 иллюстрирует первый и второй электролизные цеха 12AB и 12CD, причем каждом в этих цехов размещены соответствующие электролизные линии 16AB и 16CD. Несмотря на то, что одиночная электролизная линия 16AB и 16CD на фиг. 1 проиллюстрирована как размещенная в одном электролизном цехе 12AB и 12CD, одиночная электролизная линия 16, определенная как множество электролизеров, которые находятся в последовательном электрическом соединении, может также простираться на несколько электролизных цехов 12. Например, в качестве альтернативы описанной выше конфигурации, электролизеры 14 электролизной линия 16AB могли бы находиться в последовательном электрическом соединении с электролизерами 14 второй электролизной линии 16CD, таким образом образуя единую, имеющую двойную протяженность электролизную линию, включающую обе линии 16AB и 16CD, расположенные в двух отдельных электролизных корпусах 12AB и 12CD.
Несмотря на то, что завод 10 по производству алюминия на фиг. 1 оборудован двумя электролизными линиями 16AB и 16CD, завод 10 по производству алюминия может, как правило, включать от 1 до 20 электролизных линий 16, расположенных, как правило, в 1-20 электролизных корпусах 12. И даже несмотря на то, что в каждой из электролизных линий 16AB и 16CD на фиг. 1 проиллюстрировано лишь несколько электролизеров 14, одиночная электролизная линия 16 может, как правило, включать от 50 до 200 электролизеров 14. Штриховые линии на фиг. 1 показывают, что каждый из электролизных цехов 12AB и 12CD может включать ряд дополнительных электролизеров 14, и что завод 10 может включать дополнительные электролизные линии и/или электролизные цеха.
Процесс, протекающий в электролизерах 14, может представлять собой хорошо известный процесс Холла-Эру, в котором оксид алюминия, растворенный в расплаве фторсодержащих минералов, подвергают электролизу с образованием алюминия. Таким образом, электролизеры 14 функционируют как ячейки электролиза. Порошкообразный оксид алюминия подают в электролизеры 14 через систему распределения глинозема (не показана на чертеже) хорошо известным специалистам в данной области техники образом.
В процессе электролиза, протекающем в каждом электролизере 14, выделяются большие количества тепла, частиц пыли и отходящих газов, в том числе, но не ограничиваясь этим, фторид водорода, диоксид серы и диоксид углерода. В этом описании термин «неочищенный газ» означает неочищенный газ от промышленного процесса, такой как горячий дымовой газ, отходящий из электролизера 14. Система 20 сбора неочищенного газа предназначена для собирания и транспортировки неочищенного газа из множества электролизеров 14 к газоочистной установке 22, которая очищает неочищенный газ так, что его можно безопасно выпускать в атмосферу через дымовую трубу 24. Часто в газоочистной установке 22 используют свежий глинозем для сухой очистки неочищенного газа.
Как правило, система 20 сбора неочищенного газа предназначена собирать неочищенный газ из одного или двух электролизных корпусов 12AB и 12CD, а газоочистная установка 22 часто подсоединена между зеркально расположенной парой электролизных корпусов 12AB и 12CD согласно хорошо известной H-образной конфигурации, проиллюстрированной на фиг. 1. Однако даже несмотря на то, что электролизные корпуса 12AB и 12CD проиллюстрированы на фиг. 1 как подсоединенные к одной газоочистной установке 22, каждый одиночный электролизный корпус 12AB и 12CD может быть подсоединен к множественным газоочистным установкам 22.
Для каждого электролизного корпуса 12AB и 12CD, обслуживаемого системой 20 сбора неочищенного газа, система 20 сбора неочищенного газа включает в себя по меньшей мере один общий сборный канал, который действует как коллектор для собирания неочищенного газа, производимого множеством электролизеров 14. В примере, проиллюстрированном на фиг. 1, каждый из электролизных корпусов 12AB и 12CD снабжен соответствующим первый общим сборным каналом 26A и 26D и соответствующим вторым общим сборным каналом 26B и 26C. Каждый комплект из первого и второго общих сборных каналов тем самым образует пару общих сборных каналов. В качестве примера, первая пара общих сборных каналов 26A и 26B предусмотрена в первом электролизном корпусе 12AB; и вторая пара общих сборных каналов 26C и 26D предусмотрена во втором электролизном корпусе 12CD. Каждый из общих сборных каналов 26A-D может быть расположен внутри и/или снаружи соответствующих электролизных корпусов 12AB и 12CD. Каждый общий сборный канал 26A-D проходит вдоль части соответствующего ему электролизного корпуса 12AB и 12CD и проточно соединен с множеством электролизеров 14 через соответствующее множество отводных каналов 28. Соответствующий поток 27A-D неочищенного газа общих сборных каналов протекает в каждом соответствующем общем сборном канале 26A-D из соответствующего множества электролизеров 14 к газоочистной установке 22. В качестве примера, первый общий сборный канал 26A проточно соединен с внутренним пространством каждого из первого множества электролизеров 14a-f электролизного корпуса 12AB через множество соответствующих отводных каналов 28a-f и втягивает поток 27A неочищенного газа первого общего сборного канала. Первое множество электролизеров 14a-f размещены параллельно и проточно соединены с первым общим сборным каналом 26A параллельно. Каждый отводной канал 28a-f имеет выпускной конец, который будет описан более подробно со ссылкой на фиг. 3 и через который отводимые потоки 38a-f протекают из соответствующих отводных каналов 28a-f в общий сборный канал 26A.
Второй сборный канал 26B первой пары общих сборных каналов 26A-B присоединен ко второму множеству электролизеров 14 в первом электролизном корпусе 12AB аналогичным соединению первого сборного канала 26A образом, т.е. через отводные каналы 28. Вторая пара общих сборных каналов 26C-D второго электролизного корпуса 12CD расположена аналогично расположению общих сборных каналов 26A-B первого электролизного корпуса 12AB, учитывая соответствующие изменения.
Каждая пара общих сборных каналов 26A-B и 26C-D соединена и проточно подсоединена к выпуску 30AB и 30CD соответствующего общего сборного канала. Потоки 27A-B и 27C-D неочищенного газа общих сборных каналов проходят через выпуски 30AB и 30CD соответствующих общих сборных каналов в газоочистную установку 22. В качестве примера, два общих сборных канала 26A и 26B, связанных с первым электролизным корпусом 12AB, соединены и проточно подсоединены на выпуске 30AB первого общего сборного канала, через который движется поток 27A-B неочищенного газа первого и второго общих сборных каналов. Аналогично, первый и второй сборные каналы 26C-D соединены и проточно подсоединены на выпуске 30CD второго общего сборного канала.
Каждый общий сборный канал 26A-D проводит свой соответствующий поток 27A-D неочищенного газа общего сборного канала в направлении потока общего сборного канала к газоочистной установке 22. Такое направление потока неочищенного газа проиллюстрировано на фиг. 1 стрелками внутри каждого из общих сборных каналов 26A-D. Потоки 27A-D четырех общих сборных каналов сливаются в T-образном главном канале 32, по которому неочищенный газ поступает в газоочистную установку 22.
Система 20 сбора неочищенного газа работает при пониженном давлении (разрежении), создаваемом вентилятором 34, расположенным ниже по потоку газа относительно газоочистной установки 22. Таким образом, вентилятор, расположенный ниже по потоку газа относительно системы 20 сбора неочищенного газа, активно втягивает неочищенный газ из электролизеров 14, через отводные каналы 28, общие сборные каналы 26A-D и T-образный главный канал 32, в газоочистную установку 22. Все электролизеры 14, вся система 20 сбора неочищенного газа и газоочистная установка 22 находятся выше по потоку газа относительно вентилятора 34 и поддерживаются при пониженном давлении по сравнению с атмосферным давлением, когда завод 10 находится в эксплуатации. Такое пониженное давление служит для защиты от утечки неочищенного газа из электролизеров 14 в электролизные корпуса 12AB и 12CD.
Чтобы улучшить эффективность очистки газоочистной установки 22, в данной области техники известно снабжение главного канала 32 теплообменником 36 непосредственно перед газоочистной установкой 22 (т.е. выше по потоку относительно нее). Такое размещение теплообменника 36 согласно уровню техники проиллюстрировано штриховыми линиями на фиг. 1. В таком случае неочищенный газ охлаждается в теплообменнике 36 перед его поступлением в газоочистную установку 22. Пример теплообменника 36, особенно устойчивого к образованию отложений, описан в WO 2008/113496. Теплообменник 36 можно также оборудовать впускными и выпускными демпферами с тем, чтобы сделать возможным изоляцию теплообменника 36 для обслуживания и ремонта или для переключения на резервный теплообменник в зависимости от обстоятельств.
Каждый из каналов и компонентов, контактирующих с неочищенным газом по мере его протекания из электролизеров 14 к дымовой трубе 24, оказывает сопротивление газовому потоку, которое можно также представить как перепад давления. Перепад давления соответствует потере энергии, которую необходимо компенсировать обеспечением достаточной тяги от вентилятора 34. Давление является наименьшим прямо перед вентилятором 34 и увеличивается вдоль пути газового потока в направлении, противоположном направлению газового потока. Наибольшее давление, которое соответствует минимальной величине тяги от вентилятора, существует в наиболее удаленном электролизере 14f, как проиллюстрировано на фиг. 1. А значит, давление меняется в пределах системы, в том числе вдоль общих сборных каналов 26A-D. В качестве примера, давление в первом общем сборном канале 26A является наименьшим на выпуске 30AB первого общего сборного канала и наибольшим на наиболее удаленном конце общего сборного канала 26A, у отводного канала 28f.
Четыре общих сборных канала 26A-D могут иметь аналогичную конструкцию и функцию. А поэтому, по соображениям ясности, далее будет описан только первый общий сборный канал 26A с присоединенным к нему первым множеством электролизеров 14a-f. Следует понимать, что три остальных общих сборных канала 26B-D оборудованы и функционируют аналогично общему сборному каналу 26A.
Далее рассмотрим первый общий сборный канал 26A и первое множество электролизеров 14a-f, проточно соединенных с ним через отводные каналы 28a-f, причем каждый из электролизеров 14a-f производит неочищенный газ. Протекающий неочищенный газ, проиллюстрированный стрелками, представляющими отводимые потоки 38a-f, движется через соответствующие отводные каналы 28a-f к общему сборному каналу 26A. Каждый из отводных каналов 28a-f снабжен соответствующим теплообменником 40a-f для охлаждения соответствующих отводимых потоков 38a-f. Путем размещения теплообменников 40a-f в отводных каналах 28a-f можно исключить размещение какого-либо теплообменника 36 и связанных с ним демпферов в главном канале 32. Каждый из теплообменников 40a-f создает гидравлическое сопротивление и, следовательно, перепад давления. В результате этого теплообменники 40a-f, расположенные в соответствующих отводных каналах 28a-f, оказывают выравнивающее действие на относительные расходы/скорости течения отдельных отводимых потоков 38a-f. Это можно легче понять, учтя, что перепад давления на отдельном теплообменнике 40a-f представляет собой минимальный суммарный перепад давления на всем пути отводимого потока, состоящем из теплообменников 40a-f и плюс соответствующих им отводных каналов 28a-f. В качестве примера, как предельный особый случай для иллюстрации этого принципа, приведено следующее описание. Если пониженное давление одиночного первого электролизера 14a полностью потеряно, например, вследствие сильной утечки газа в отводном канале 28a выше по потоку газа относительно теплообменника 40a, гидравлическое сопротивление теплообменника 40a своим действием поддерживает пониженное давление ниже по потоку газа относительно теплообменника 40a. Такое гидравлическое сопротивление теплообменника 40a гарантирует, что из других электролизеров 4b-f будет по-прежнему вытягиваться достаточно неочищенного газа, даже в случае описанной сильной утечки газа. С другой стороны, если бы никакие теплообменники 40a-f не присутствовали в отводных каналах 28a-f, в случае описанной сильной утечки газа, вентилятор 34 втягивал бы намного больше неочищенного газа из отводного канала 28a вследствие его потери гидравлического сопротивления в результате утечки, в то время как расходы через неповрежденные отводные каналы 28b-f значительно уменьшилась бы.
Аналогичным образом, теплообменники 40a-f своим действием устанавливают более равномерный баланс скоростей отдельных отводимых потоков 38a-f неочищенного газа из электролизеров 14a-f, также при нормальных рабочих условиях. В частности, множество теплообменников 40a-f своим действием относительно уравнивают уровни давления в общем сборном канале 26A. Такое уравнивание уменьшает перепад давления от выпускного конца наиболее удаленного отводного канала 28f до выпускного конца ближайшего отводного канала 28a относительно выпуска 30AB общего сборного канала. А значит, теплообменники 40a-f оказывают уравнивающее или выравнивающее действие на давление вдоль общего сборного канала 26A и, следовательно, на расходы соответствующих отводимых потоков 28a-f, даже если гидравлическое сопротивление является одинаковым в каждом из теплообменников 40a-f. В результате этого можно получать более прогнозируемые технологические условия в электролизерах 14a-f, что может приводить к более эффективному производству алюминия. Кроме того, уменьшается риск утечки неочищенного газа из электролизеров 14a-f в атмосферу внутри электролизного цеха 12AB, поскольку можно получить более устойчивую вентиляцию электролизеров 14a-f.
Вследствие присутствия теплообменников 40a-f не является необходимым, чтобы отводимые потоки 28a-f становились точно равными. В настоящем описании термины «установление баланса», «уравновешивание», «уравнивание», «выравнивание» или тому подобные означают уменьшение любой разности между соответствующими величинами, но не обязательно устранение всех различий между ними.
Даже несмотря на то, что каждый из отдельных теплообменников 40a-f создает перепад давления в соответствующем отводном канале 28a-f, суммарный перепад давления в системе может быть уменьшен по сравнению с наличием одного теплообменника 36 в главном канале 32. Причина этого заключается в том, что каждому отводному каналу из по меньшей мере первого комплекта отводных каналов 28a-d, т.е. отводных каналов, ближайших к выпуску 30AB общего сборного канала, в противном случае потребовался бы соответствующий демпфер для выравнивания давления вдоль общего сборного канала 26A с тем, чтобы отводимые потоки 38a-f стали относительно уравновешенными. Размещение отдельных теплообменников 40a-f в каждом отводном канале 28a-f делает демпферы излишними, так что от них можно избавиться или же можно поддерживать их в открытом состоянии, если они уже присутствуют в системе. Другими словами, путем создания перепада давления с помощью теплообменников 40a-f там, где перепад давления естественно необходим, выполняются два требования системы при использовании одного системного компонента, т.е. теплообменников 40a-f. Так, теплообменники 40a-f выполняют два требования системы: перепад давления и теплоотвод от неочищенного газа. Использование демпфера для создания такого перепада давления там, где перепад давления необходим, все еще требует использования теплообменника 36, например, в главном канале 32, чтобы отводить тепло от неочищенного газа. Таким образом, теплообменник 36 создает дополнительный перепад давления в главном канале 32, где перепад давления не является необходимым.
Теплообменники 40a-f своим действием не только уравновешивают отдельные отводимые потоки 38a-f, поступающие в общий сборный канал 26A, но и уравновешивают расход потока 27A общего сборного канала и потоков 27B-D общих сборных каналов в общих сборных каналах 26B-D, при том условии, что отводные каналы 28, присоединенные к этим общим сборным каналам, также оборудованы теплообменниками 40.
В качестве альтернативы снабжению теплообменниками 40a-f всех отводных каналов 28a-f общего сборного канала 26A, можно снабдить соответствующими теплообменниками 38a-d только первый комплект отводных каналов 28a-d и оставить второй комплект отводных каналов 28e-f без теплообменников. В таком случае, отводные каналы 28e-f второго комплекта могли бы быть снабжены демпферами для создания перепада давления, или они могут не содержать ни демпферов, ни теплообменников, чтобы позволить свободному потоку проходить через них. Последний вариант является особенно привлекательным в конфигурации, где отводные каналы 28e-f второго комплекта расположены дальше от выпуска 30AB общего сборного канала, чем отводные каналы 28a-d первого комплекта. Тем самым перепад давления вдоль общего сборного канала 26A от отводных каналов 28e-f второго комплекта будет в некоторой степени компенсировать перепад давления теплообменников 40a-d отводных каналов 28a-d первого комплекта.
Фиг. 2 - схематическое представление на виде сбоку электролизного корпуса 12AB в поперечном сечении вдоль линии II-II на фиг. 1 при наблюдении в направлении дымовой трубы 24. Хотя на фиг. 2 проиллюстрирован только один электролизер 14d, каждый из остальных электролизеров 14a-c и 14e-f присоединен к общему сборному каналу 26A аналогичным образом. Таким образом, по соображениям простоты и ясности, только электролизер 14d, его расположение в электролизном корпусе 12AB и его соединение с общим сборным каналом 26A будут описаны подробно. Следует понимать, что данное описание может применяться ко всему первому комплекту электролизеров 14a-c и ко второму комплекту электролизеров e-f, в зависимости от обстоятельств.
Над электролизером 14d установлен газоулавливающий колпак 42d, так что любые выбросы неочищенного газа из электролизера 14d улавливаются, в результате чего сводится к минимуму его утечка в электролизный корпус 12AB. Впуск 44d отводного канала 28d проточно соединен с газоулавливающим колпаком 42d, чтобы засасывать неочищенный газ из электролизера 14d и получать отводимый поток 38d неочищенного газа. Выпускной конец 46d отводного канала 28d расположен с возможностью выпуска отводимого потока 38d в проточно подсоединенный общий сборный канал 26A. Теплообменник 40d, расположенный в отводном канале 28d, использует одну опорную конструкцию 48d с общим сборным каналом 26A.
Увеличенный вид сверху области, ограниченной пунктирным прямоугольником III на фиг. 2, проиллюстрирован более подробно на фиг. 3.
Фиг. 3 иллюстрирует выпуск отводимого потока 38d в общий сборный канал 26A. Выпускной конец 46d отводного канала 28d снабжен совмещающей секцией 50d, которая совмещает движение отводимого потока 38d в том же направлении, в котором движется поток 27A общего сборного канала в общем сборном канале 26A. Выпускной конец 46d также оборудован выпускным отверстием 52d, предназначенным для выпуска совмещенного отводимого потока внутрь общего сборного канала 26A, и конструкцией 54d для ускорения отводимого потока 38d через выпускное отверстие 52d в общий сборный канал 26A. За счет ускорения отводимого потока 38d в конструкции 54d увеличенная скорость отводимого потока 38d оказывает положительное влияние, увеличивая скорость потока 27A неочищенного газа общего сборного канала в общем сборном канале 26A. В результате этого можно уменьшить потребление энергии вентилятором 34 (фиг. 1). Кроме того, перепад давления, создаваемый конструкцией 54d, своим действием выравнивает отводимые потоки 38a-f (фиг. 1). Предпочтительно, скорость отводимого потока 38d увеличивается до большей величины, чем скорость потока 27A неочищенного газа общего сборного канала, так что выпускаемый отводимый поток 38d толкает поток 27A неочищенного газа общего сборного канала ниже по потоку. Даже несмотря на то, что выпускное отверстие 52d проиллюстрировано на фиг. 3 как выполненное с возможностью выпуска отводимого потока 38d в таком же направлении, что и направление потока 27A неочищенного газа общего сборного канала, совмещение отводимого потока 38d с потоком 27A неочищенного газа общего сборного канала посредством совмещающей секции 50d не обязательно должно быть точным. Любое изменение направления отводимого потока 38d в сторону направления течения потока 27A неочищенного газа общего сборного канала следует, для цели настоящего описания, рассматривать как совмещение. Согласно одному варианту реализации выпускной конец 46d приспособлен выпускать отводимый поток 38d под углом, составляющим менее чем 45° по отношению к направлению течения потока 27A неочищенного газа общего сборного канала.
Теплообменник 40d содержит множество теплопередающих элементов 68d, которые будут описаны более подробно со ссылкой на фиг. 4. Теплопередающие элементы 68d расположены на пути течения отводимого потока 38d, так что теплообменник 40d создает гидравлическое сопротивление, а также, во время работы завода 10, перепад давления, связанный с этим гидравлическим сопротивлением. Теплопередающие элементы 68d также обеспечивают передачу тепла от отводимого потока 38d теплоносителю, который может протекать через теплообменник 40d от впуска 72d теплоносителя к выпуску 74d теплоносителя.
В результате снабжения каждого из по меньшей мере двух отводных каналов 28a-d соответствующим теплообменником 40a-d и соответствующим выпускным концом 46a-d этого типа объединенный перепад давления на соответствующих теплообменниках 40a-d и соответствующих конструкциях 54a-d приводит к меньшему перепаду давления вдоль общего сборного канала 26A, от наиболее удаленного электролизера 14f до выпуска 30AB первого общего сборного канала. Аналогичным образом, это обеспечивает более хорошо сбалансированное распределение потока неочищенного газа между всеми отдельными отводимыми потоками 38a-f. Кроме того, каждый перепад давления, создаваемый либо теплообменником 40d, либо конструкцией 54d, помимо создания перепада давления, приводит к дополнительному преимуществу, такому как обмен теплом с теплоносителем или увеличение скорости потока неочищенного газа общего сборного канала в общем сборном канале 26A. Тем самым можно уменьшить число создающих гидравлическое сопротивление компонентов, таких как демпферы, которые не выполняют никакой другой функции, кроме создания перепада давления. Это может приводить к уменьшению суммарного потребления энергии вентилятором 34, как описано выше.
Отводной канал 28d можно также снабдить регулирующим поток демпфером 56d, расположенным выше по потоку газа относительно теплообменника 40d, для тонкой регулировки гидравлического сопротивления в отводном канале 28d. Регулирующий поток демпфер 56d можно также использовать для индивидуального отключения электролизера 14d в том случае, если электролизер 14d нуждается в обслуживании. Аналогичный демпфер (не показан) можно также устанавливать в отводном канале 28d ниже по потоку газа относительно теплообменника 40d с тем, чтобы теплообменник 40d можно было аналогичным образом отключать для обслуживания.
Обращаясь теперь к фиг. 4, теплообменник 40d содержит камеру 66d впуска неочищенного газа для приема отводимого потока 38d из отводного канала 28d и множество взаимно параллельных, разнесенных, охлаждающих неочищенный газ трубок 68d. Охлаждающие трубки 68d заключены в корпусе 70d теплоносителя. Корпус 70d теплоносителя образует непроницаемый для текучей среды отсек вокруг множества охлаждающих трубок 68d, и в результате этого текучий теплоноситель, такой как вода, может вступать в непосредственный тепловой контакт с внешней поверхностью 69d охлаждающих трубок 68d. За счет этого охлаждающие трубки 68d действуют в качестве теплопередающих элементов. Для целей ясности, на фиг. 4 теплообменник 40d проиллюстрирован со «снятыми» частями корпуса 70d теплоносителя. Для той же самой цели теплообменник 40d проиллюстрирован имеющим лишь примерно 40 охлаждающих трубок 68d. Однако, согласно одному варианту реализации, каждый теплообменник 40d может, в качестве примера, быть оборудован охлаждающими трубками 68d в количестве между 100 и 3000 для того, чтобы создавать подходящий баланс между гидравлическим сопротивлением и эффективностью теплообмена. Более типично, каждый теплообменник 40d может быть оборудован охлаждающими трубками 68d в количестве между 100 и 600. Охлаждающие трубки 68d могут, в качестве примера, иметь длину, составляющую, например, между примерно 80 и 200 сантиметрами (см), и диаметр, составляющий, например, между примерно 12 и 55 миллиметрами (мм). В более типичном случае охлаждающие трубки 68d могут иметь диаметр между 20 и 30 мм. Сталь представляет собой подходящий материал для этих трубок. Теплообменник 40d может, согласно одному варианту реализации, быть выполнен с возможностью создавать перепад давления между 100 Па и 800 Па (паскалями) во время его эксплуатации.
Теплоноситель поступает в теплообменник 40d через впуск 72d теплоносителя, предусмотренный в верхней стенке 73d корпуса 70d теплоносителя, и выходит из теплообменника 40d через выпуск 74d теплоносителя, предусмотренный в нижней стенке 75d корпуса 70d теплоносителя. Согласно одному варианту реализации стенка 73d и стенка 75d являются противоположными. Тепло, переданное теплоносителю в теплообменнике 40d, можно использовать где-либо еще там, где может потребоваться тепло, например, для отопления зданий, опреснения морской воды и т.п.
Впуск 76d каждой охлаждающей трубки 68d жестко присоединен к впускной плите 78d охлаждающих трубок, которая составляет часть корпуса 70d теплоносителя. Выпуск 80d каждой охлаждающей трубки 68d жестко присоединен к выпускной плите 82d охлаждающих трубок, которая также составляет часть корпуса 70d теплоносителя. Отверстия 81d через впускную и выпускную плиты 78d и 82d охлаждающих трубок соответствуют впускам и выпускам 76d, 80d охлаждающих трубок 68d и находятся с ними в проточном сообщении. Таким образом, неочищенный газ может проходить через охлаждающие трубки 68d от камеры 66d впуска неочищенного газа теплообменника 40d до выпускного конца 46d (фиг. 3) отводного канала 28d.
Множественные параллельные охлаждающие трубки 68d в теплообменнике 40d проводят и ускоряют поток неочищенного газа вдоль его длины, в результате чего получается относительно хорошо направленный, однородный поток через них. Однородность и скорость потока неочищенного газа приводит к относительно низкой степени образования отложений.
Каждая охлаждающая трубка 68d снабжена впускной воронкой 77d охлаждающей трубки, т.е. расширенным впуском охлаждающей трубки, жестко присоединенным к впускной плите 78d охлаждающих трубок на краях 83d отверстия, так чтобы проходить в камеру 66d впуска. Впускные воронки 77d ускоряют поток неочищенного газа, поступающий в охлаждающие трубки 68d, тем самым дополнительно уменьшая риск образования отложений внутри трубок 68d. Хотя впускные воронки 77d, проиллюстрированные на фиг. 4, имеют коническую форму, можно сконструировать впускные воронки 77d, имеющие другие формы, такие как, например, колоколообразная форма.
Размещая отдельные теплообменники 40a-f (фиг. 1) в отводных каналах 28a-f, каждый теплообменник 40a-f можно предназначать для охлаждения относительно небольшого отводимого потока 38d неочищенного газа. Соответственно, теплообменники 40a-f могут быть выполнены относительно небольшими по размеру, но в то же время имеющими подходящую емкость, чтобы вместить намеченный уменьшенный объем потока неочищенного газа. Имеющие относительно небольшие размеры теплообменники 40a-f могут проще «делить» совместно используемые монтажные конструкции, ремонтные платформы, освещение, проверочные крышки и т.д. с другими устройствами, расположенными в связи с электролизным корпусом 12AB (фиг. 1), такие как общий сборный канал 26A и/или электролизеры 14a-f. Кроме того, применение теплообменников 40a-f на отводных каналах 28a-f уменьшает необходимость в «резервных» теплообменниках по сравнению с альтернативой централизованного теплообменника 36 (фиг. 1). Последствия для работы завода 10, в случае одиночной неисправности в теплообменнике 40a-f отводного канала, не столь значительны по сравнению с неисправностью относительно большого централизованного теплообменника 36 (фиг. 1).
Фиг. 5 иллюстрирует альтернативный вариант реализации выпускного конца 46d отводного канала, согласно которому теплообменник 40d расположен у выпускного отверстия 52d отводного канала 28d. За счет этого теплообменник 40d может выполнять три функции: обеспечение теплообмена, создание гидравлического сопротивления и ускорение течения отводимого потока 38d в общий сборный канал 26A. Это уменьшает потребность в отдельной конструкции на выпускном отверстии 52d, что представляет собой еще одно средство, с помощью которого можно сократить потребление энергии вентилятором 34.
Фиг. 6 иллюстрирует альтернативный вариант реализации, в котором регулируемая заслонка 60d у выпускного отверстия 52d позволяет тонко регулировать ускорение отводимого потока 38d, а также тонко регулировать перепад давления в отводном канале 28d.
Хотя изобретение было описано в отношении разнообразных примерных вариантов реализации, специалистам в данной области техники будет понятно, что можно проделать разнообразные изменения и произвести эквивалентные замены соответствующих элементов без выхода за пределы объема изобретения. Кроме того, можно проделать многочисленные модификации для приспособления конкретной ситуации или материала к идеям изобретения без выхода за пределы его существенного объема. Таким образом, изобретение не предназначено ограничиваться конкретными вариантами реализации, раскрытыми в качестве наилучшего варианта, предусмотренного для осуществления настоящего изобретения, но изобретение будет включать все варианты реализации, подпадающие под объем прилагаемой формулы изобретения.
Например, выше описан T-образный главный канал 32. Следует понимать, что главный канал может иметь любую форму, или, в качестве альтернативы канализированию неочищенного газа в газоочистную установку 22 через главный канал, каждый общий сборный канал 26 может быть присоединен непосредственно к газоочистной установке 22.
Кроме того, не все отводные каналы 28, присоединенные к общему сборному каналу 26, необходимо снабжать совмещающей секцией 50d и/или конструкцией 54d; снабжение лишь некоего множества отводных каналов 28 совмещающей секцией 50d и/или конструкцией 54d достаточно для получения положительного влияния на распределение потоков и потребление энергии.
Теплообменники 40 не обязательно должны относиться к описанному здесь типу уложенных в пакет трубок; они могут относиться к любому типу, известному специалистам в данной области техники.
Не является обязательным, чтобы все отводные каналы 28 вблизи выпуска 30 общего сборного канала были снабжены соответствующим теплообменником 40 для того, чтобы получать подходящее уравновешивание отводимых потоков 38; в качестве примерной альтернативы, лишь несколько выбранных отводных каналов 28 можно снабдить теплообменниками 40, а перепад давления на остальных отводных каналах 28 можно регулировать любым другим способом, например посредством демпфера.
Теплообменники 40a-f отводных каналов можно использовать для выравнивания давления в общем сборном канале 26A независимо от присутствия какого-либо теплообменника 36 в главном канале 32.