УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА И УДАЛЕНИЯ ГАЗОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ СОДЕРБЕРГА
DEVICE FOR GAS COLLECTION AND REMOVAL FROM ALUMINIUM ELECTROLYTIC CELLS OF SODERBERG

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к оборудованию для электролитического получения алюминия, а конкретно к устройствам для улавливания и удаления отходящих газов алюминиевых электролизеров Содерберга.
Улавливание и удаление газов от алюминиевых электролизеров Содерберга осуществляется в основном газосборным колоколе (ГСК), выполненном из навесных секций, укрепленных на нижней части анодного кожуха. На угловых секциях по диагонали имеются патрубки, на которых установлены горелочные устройства для сжигания анодных газов. Питание алюминиевого электролизера глиноземом и корректирующими добавками проводится через отверстия в корке, образованные пробойниками устройства автоматического питания глиноземом (АПГ).
Известно устройство для сбора и удаления газов (СГУ) из алюминиевого электролизера Содерберга, включающее газосборный колокол, навешенный по периметру анодного кожуха и соединенный с газоходами системы централизованного газоудаления, горелки для сжигания газов, систему трубопроводов, а также вторую ступень улавливания газов, выполненную в виде замкнутого по всему периметру анода коллектора с патрубками (авторское свидетельство SU №269494, МПК C22D 3/22, опубл. 01.01.1970 г.).
Недостатком устройства является то, что подколокольное пространство ГСК сообщается через канал, представляющий собой сквозную щель, которая в процессе эксплуатации забивается пылесмоляными и электролитными отложениями, что создает дополнительное гидравлическое сопротивление движению газов. В итоге камера сгорания в горелке для сжигания газов оказывается «изолированной» от подколокольного пространства. Диффузорная (каплевидная) форма камеры сгорания делает практически невозможной ее очистку от отложений в процессе эксплуатации электролизера. В случае разгерметизации газосборного колокола анодные газы без дожигания удаляются через вторичное укрытие. Смолистые вещества, содержащиеся в анодных газах, приведут к зарастанию трубопроводов.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является устройство для сбора и удаления газов из алюминиевого электролизера Содерберга, включающее патрубки, установленные на продольной стороне и угловой части газосборного колокола. Основание каждого патрубка представляет собой входное отверстие в секции ГСК. Патрубки соединены между собой трубопроводами, подсоединенными к выходным отверстиям патрубков. Каждая пара патрубков соединена трубопроводом с корпусной системой газоочистки. В газосборном колоколе выполнены отверстия в зоне, прилегающей к местам установки патрубков, в зоне установки системы АПГ и с торцевых сторон (Патент RU №2443804, МПК С25С 3/22, опубл. 27.02.2010 г.).
Недостатком устройства-прототипа является то, что место дожигания анодных газов под ГСК заранее не определено. При этом анодный газ во время движения к месту подачи воздуха под ГСК охлаждается и его температура в ряде случаев становится недостаточной для самовоспламенения. Кроме того, место выхода анодных газов, их состав и концентрация в процессе эксплуатации изменяются. В результате большой объем недожженного анодного газа попадает в каналы системы газоудаления, забивая их пылесмоляными и электролитными отложениями, что создает дополнительное гидравлическое сопротивление движению газов, и приводит к выбиванию анодных газов в корпус. В случае воспламенения анодных газов под ГСК происходит интенсивное выгорание анода. В связи с небольшой высотой патрубков и ГСК факел пламени затягивается в патрубок и трубопроводы, что увеличит износ СГУ и приводит к забиванию каналов СГУ.
В основу изобретения положена задача разработки устройства для сбора и удаления газов из алюминиевого электролизера Содерберга, которое позволит снизить количество выбросов анодных газов в корпус.
Технический результат заключается в обеспечении полного дожигания анодных газов, выделяющихся под ГСК без интенсивного износа и забивания трубопровода и выгорания анода.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для сбора и удаления газов из алюминиевого электролизера Содерберга, включающем газосборный колокол, на продольных сторонах и в угловой части которого установлены патрубки, соединенные трубопроводами между собой и через коллектор с корпусной системой газоочистки посредством спусков электролизера, отверстия для подачи воздуха, согласно заявляемому изобретению, соотношение высоты патрубков, расположенных на продольных сторонах газосборного колокола по отношению к высоте патрубков, расположенных в угловой части газосборного колокола составляет 1:(2-5), причем отверстия для подачи воздуха в зону горения выполнены на боковых стенках патрубков на высоте, равной не менее половины длины основания патрубков.
Предлагаемое устройство дополняют частные отличительные признаки, способствующие достижению указанного технического результата.
Отверстия для подачи воздуха в зону горения могут быть выполнены диаметром 20-50 мм, а трубопроводы, соединяющие патрубки, могут быть выполнены диаметром не менее 120 мм. На трубопроводах, газоходном спуске электролизера и на коллекторе могут быть установлены фитинги, соединенные с системой сжатого воздуха. Фитинги могут быть установлены как параллельно потоку удаляемых газов, так и тангенциально. На патрубке, расположенном на продольной стороне газосборного колокола, может быть выполнен лючок, а соединение СГУ с корпусной системой газоочистки может быть выполнено посредством тканевого компенсатора. Патрубок, расположенный на продольной стороне газосборного колокола, может быть выполнен в виде секции и центрального колена, которые соединены по типу «стакан в стакан».
Приведенные выше варианты частного выполнения по изобретению не являются единственно возможными. Допускаются различные модификации и улучшения, не выходящие за пределы области действия изобретения, определенной первым пунктом формулы.
Увеличение объема патрубка, расположенного на продольных сторонах газосборного колокола (ГСК), в зоне максимальных температур, приводит к снижению скорости анодных газов в зоне горения при сохранении больших скоростей воздушных струй, поступающих в патрубок, что увеличивает интенсивность перемешивания и время нахождения сжигаемых газов в зоне горения, тем самым повышается эффективность дожигания газов. Кроме того, снижение скорости движения анодных газов в зоне горения уменьшает длину факела, что исключает затягивание факела в трубопроводы, тем самым предотвращается повышенный износ трубопроводов.
Увеличение объема патрубков, расположенных на продольных сторонах ГСК, в 2-5 раз увеличит разряжение под укрытием, что уменьшит выбивание газов в корпус. Расположение отверстий на боковых стенках патрубков позволит сместить зону горения из ГСК в патрубки и тем самым исключить интенсивное выжигание анода. Выполнение трубопровода равным или более 120 мм способствует уменьшению выбивания газов в корпус и предотвращению забивания трубопровода продуктами горения.
Подача сжатого воздуха через фитинги, установленные на коллекторе и спуске электролизера параллельно или тангенциально удаляемому потоку газов и соединенные с системой сжатого воздуха, позволяет нагнетать воздух в поток удаляемых газов. Поток сжатого воздуха инжектирует удаляемые газы, т.е. увеличивает энергию газового потока и тем самым увеличивает разряжение и скорость газов в СГУ. Увеличение разрежения и скорости газового потока способствует предотвращению забивания трубопроводов и выхода газов в корпус. Инжекция может выполняться автоматически через определенные промежутки времени при соединении фитингов с системой АПГ или постоянно при соединении фитингов с корпусной системой сжатого воздуха.
Выполнение отверстий для подачи воздуха диаметром 20-50 мм на стенках патрубков обеспечивает коэффициент избыточного воздуха, равный 1:4, что позволяет достичь необходимых значений температур при дожигании анодных газов в патрубках.
Лючок на патрубке, расположенном на продольных сторонах ГСК, позволит выполнить чистку патрубка и зону ГСК под ним при забивании его угольной пеной и электролитом, что повысит эффективность удаления газов.
Использование тканевого компенсатора для соединения СГУ с корпусной системой газоочистки повысит герметичность этого соединения, тем самым сократит количество подсасываемого воздуха, что повысит разряжение под ГСК.
Патрубок, расположенный на продольных сторонах ГСК, состоит из двух элементов, из секции и центрального колена, соединенных между собой по типу «стакан в стакан», что сократит время монтажа и демонтажа СГУ.
Устройство для сбора и удаления газов поясняется чертежами, где на фигуре 1 представлен общий вид устройства; на фигуре 2 показано соединение патрубков устройства с продольной стороны электролизера. На фигуре 3а представлена схема электролизера с местоположением контрольных точек для измерений в СГУ. На фигуре 3б представлена схема электролизера с местоположением контрольных точек для измерений на ГСК. На фигуре 4 приведены результаты измерения температуры удаляемых газов в контрольных точках СГУ; на фигуре 5 представлены результаты измерения разрежения в контрольных точках СГУ электролизера, показанных на фиг. 3а и фиг. 3б.
Устройство для сбора и удаления газов из алюминиевого электролизера Содерберга включает в себя патрубки: два патрубка, расположенных на продольных сторонах ГСК 1, и два патрубка, расположенных в угловой части ГСК 2, установленных на газосборном колоколе 3. Основание каждого патрубка 1, 2 представляет собой входное отверстие в секции ГСК. Патрубки 1, 2 соединены между собой трубопроводом 4, при этом патрубок 1 соединен с трубопроводом 4 посредством центрального колена 5, а трубопровод 4 подсоединен через коллектор 6 к корпусной системе газоочистки посредством спусков электролизера 7. На боковых стенках патрубков 1, 2 выполнены отверстия 8 и 9 для подачи воздуха в зону горения. Для чистки трубопровода 4 сжатым воздухом в верхней точке центрального колена 5 установлен фитинг 10 по направлению движения удаляемого газового потока. На коллекторе 6 и на спуске электролизера 7 установлены фитинги 11 для инжекции газового потока. Для соединения коллектора 6 со спуском 7 используется тканевый компенсатор 12. Для чистки патрубка 1, расположенного на продольных сторонах ГСК, и колокола 3 в зоне горения на секции 13 выполнен лючок 14. Патрубок 2, расположенный в угловой части ГСК, соединен с коллектором 6 угловым коленом 15.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
В процессе работы алюминиевого электролизера происходит выделение анодных газов, которые поступают в газосборный колокол 3 и далее под действием разрежения, создаваемым корпусной газоочисткой, затягиваются в патрубки 1, расположенные по продольным сторонам ГСК, и патрубки 2, расположенные в угловой части ГСК. Основная часть газового потока собирается с продольных сторон и поступает в патрубок 1, расположенный на продольных сторонах ГСК, находящийся в зоне максимальных температур и состоящий из секции 13 и центрального колена 5, соединенных между собой по типу «стакан в стакан». Удаляемый газ перемешивается с воздухом, поступающим через отверстие 8, и воспламеняется. Далее обезвреженный газ движется через центральное колено 5 и трубопровод 4. С торцов электролизера газ удаляется через патрубки 2, расположенные в угловой части ГСК, где смешивается с воздухом, поступающим через отверстия в боковых стенках 9, и воспламеняется. Далее газ от патрубков 2 движется через угловое колено 15. Движущиеся потоки обезвреженного газа от патрубка 1 и патрубка 2 объединяются в коллекторе 6. Затем обезвреженный газ поступает через тканевый компенсатор 12 в спуск электролизера 7 и далее в корпусную газоочистку. Во время движения газового потока по трубопроводу 4 возможно отложение в нем продуктов горения и смолистых. Для удаления отложений в трубопроводе 4 на центральном колене 5 смонтирован фитинг 10, соединенный с системой автоматического питания АПГ, сбрасывающей через определенные промежутки времени под давлением воздух, который выполняет автоматическую продувку трубопровода 4 и удаляет отложения. При забивании угольной пеной и электролитом секции 13 и газосборного колокола 3 в зоне установки секции 13 выполняется чистка через лючок 14. С целью повышения эффективности удаления газов путем увеличения разряжения в СГУ в коллектор 6 и газоходный спуск электролизера 7 вмонтированы по направлению движения газового потока или тангенциально потоку удаляемых газов фитинги 11, соединенные с системой сжатого воздуха. При подаче сжатого воздуха по направлению движения удаляемого газа происходит импульсная передача энергии от сжатого воздуха потоку - инжекция, которая увеличивает разрежение в СГУ и скорость потока.
Результаты математического моделирования, выполненные в программе StarCD, и результаты измерений показали, что среднее значение температуры газов в патрубках предлагаемого устройства достигает значения 900°C-1000°C (фиг. 4). В соответствии с работой «Исследование состава и канцерогенности смолистых веществ анодных газов с целью их полного обезвреживания: Отчет / Иркутский государственный университет (ИГУ); Руководитель работы Ф.П. Туренко. - Иркутск, 1973 г. - 40 с.», достигаемые значения температур в зоне горения устройства достаточны для эффективного дожигания анодных газов, смолистых веществ и бенз(а)пирена. При этом в подколокольном пространстве ГСК поддерживается разрежение Р=-20 Па (фиг. 5), что исключает выбивание анодных газов в корпус. Зона горения в предлагаемом устройстве находится в патрубках, что исключает выжигание анода. В патрубке, расположенном на продольных сторонах ГСК с увеличенным объемом, факел пламени не затягивается в трубопровод, тем самым исключается повышенный износ трубопровода.