СПОСОБ ВЕНТИЛЯЦИИ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ
METHOD OF VENTILATION OF ELECTROLYSER FOR ALUMINIUM SMELTING

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к способу вентиляции электролизера для получения алюминия, включающего в себя ванну с содержимым, по меньшей мере один катодный электрод, находящийся в контакте с упомянутым содержимым ванны, по меньшей мере один анодный электрод, находящийся в контакте с упомянутым содержимым ванны, и укрытие, покрывающее по меньшей мере часть упомянутой ванны.
Настоящее изобретение также относится к вентиляционному устройству для электролизера описанного выше типа для получения алюминия.
Предпосылки изобретения
Алюминий часто получают посредством процесса электролиза с использованием одного или более электролизеров для получения алюминия. Один из таких процессов описан в US 2009/0159434. Такие электролизеры обычно включают в себя ванну для содержания ее содержимого, в состав которого входят фторидсодержащие минералы поверх расплавленного алюминия. Содержимое ванны находится в контакте с блоками катодного электрода и блоками анодного электрода. Оксид алюминия с регулярными интервалами подают в ванну через отверстия в нескольких местах вдоль центра электролизера и между рядами анодов.
Получение алюминия таким образом генерирует отходящие газы, включая фторид водорода, диоксид серы, диоксид углерода и т.п. Такие газы должны быть удалены и утилизированы безопасным для окружающей среды способом. Кроме того, тепло, вырабатываемое в результате такого процесса электролиза, должно регулироваться таким образом, чтобы избежать проблем с перегревом оборудования, расположенного поблизости от ванны. Как описано в US 2009/0159434, для отведения отходящих газов и частиц пыли из ряда параллельных электролизеров и отвода выделяемого тепла от электролизеров с целью охлаждения их оборудования могут быть использованы один или более газоотводов. Чтобы достичь этого, в газоотводах посредством устройства подачи сжатого воздуха создают всасывание. Затем такое всасывание создает поток окружающего вентиляционного воздуха через электролизеры. Поток окружающего вентиляционного воздуха через электролизеры охлаждает оборудование электролизеров и отводит из них образующиеся отходящие газы и частицы пыли. Такой поток сжатого воздуха также создает соответствующий поток газа через электролизеры и газоотводы для уноса образующихся отходящих газов и частиц пыли в установку обработки газов.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка способа удаления газообразных загрязняющих веществ, частиц пыли и тепла из электролизера для получения алюминия, который является более эффективным в отношении требуемых капитальных вложений и текущих эксплуатационных расходов, чем способ уровня техники.
Вышеупомянутая задача решается благодаря способу вентиляции электролизера для получения алюминия, не требующему вообще или требующему сниженного объема окружающего воздуха. Электролизер для получения алюминия включает в себя ванну, содержимое ванны, по меньшей мере один катодный электрод, находящийся в контакте с упомянутым содержимым ванны, по меньшей мере один анодный электрод, находящийся в контакте с упомянутым содержимым ванны, и укрытие, покрывающее по меньшей мере часть упомянутой ванны. Данный способ включает в себя:
отведение вентиляционных газов из внутренней зоны упомянутого укрытия,
охлаждение по меньшей мере части упомянутых вентиляционных газов с получением охлажденных вентиляционных газов, и
возвращение по меньшей мере части охлажденных вентиляционных газов во внутреннюю зону упомянутого укрытия.
Преимущество вышеописанного способа заключается в том, что объем вентиляционных газов, требующих очистки, значительно меньше, чем в уровне техники, поскольку к нему не добавляются большие объемы окружающего воздуха. Поэтому, не будучи разбавленными большими объемами окружающего воздуха, направляемые на очистку вентиляционные газы несут в себе более высокие концентрации загрязняющих веществ, таких как фторид водорода, диоксид серы, диоксид углерода, частицы пыли и т.п. Вентиляционные газы с более высокими концентрациями загрязняющих веществ делают более эффективной работу расположенного ниже по потоку оборудования, такого как, например, установка обработки вентиляционных газов, устройство удаления диоксида углерода и т.п. Кроме того, расположенное ниже по потоку оборудование может быть сделано меньшим в размере благодаря пониженным требованиям к его производительности, исходя из сниженных объемов проходящих через него вентиляционных газов. Такое снижение размера оборудования и требований к его производительности уменьшает требуемые капитальные вложения и текущие эксплуатационные расходы на систему. Еще одно преимущество заключается в том, что в результате удаления, охлаждения и возвращения вентиляционных газов во внутреннюю зону укрытия объем необходимого окружающего воздуха снижается или даже исключается. Снижение или даже исключение использования окружающего воздуха в системе снижает количество влаги, транспортируемой вентиляционными газами в расположенное ниже по потоку оборудование, такое как, например, расположенная ниже по потоку установка обработки газов. Известно, что влага сильно влияет на скорость образования твердой окалины и корки на оборудовании, находящемся в контакте с вентиляционными газами. Следовательно, при пониженном содержании влаги в вентиляционных газах образование окалины и корки снижается. Снижение образования окалины, корки и отложений снижает риск закупоривания оборудования, такого как, например, закупоривание теплообменников и вентиляторов, используемых для циркуляции вентиляционных газов.
Согласно одному варианту реализации 10-80% от общего количества вентиляционных газов, отведенных из внутренней зоны укрытия, возвращают назад во внутреннюю зону после охлаждения по меньшей мере части вентиляционных газов. Преимущество данного варианта реализации заключается в том, что укрытие и оборудование электролизера, расположенное в верхней части укрытия, в достаточной степени охлаждаются охлажденными вентиляционными газами. Подобным же образом, достигается соответствующая концентрация загрязняющих веществ в вентиляционных газах перед их очисткой в расположенном ниже по потоку оборудовании. Использование охлажденных вентиляционных газов для охлаждения электролизера уменьшает или устраняет объем необходимого для охлаждения окружающего воздуха. Еще одно преимущество данного варианта реализации заключается в том, что горячие вентиляционные газы, отведенные из внутренней зоны для охлаждения, снабжают теплообменник высокоценным теплом, которое может быть использовано для других процессов системы.
Согласно другому варианту реализации данный способ дополнительно включает в себя охлаждение всего объема вентиляционных газов, отведенных из внутренней зоны укрытия, посредством первого теплообменника. Затем часть охлажденных вентиляционных газов протекает во второй теплообменник для дополнительного (дальнейшего) охлаждения, прежде чем по меньшей мере часть их будет возвращена во внутреннюю зону укрытия. Преимущество данного варианта реализации заключается в том, что охлаждение до первой температуры в первом теплообменнике осуществимо с коммерческой точки зрения для всего объема вентиляционных газов, отведенных из внутренней зоны укрытия. Такое охлаждение вентиляционных газов первым теплообменником подходит для охлаждения вентиляционных газов, адекватного для температурных потребностей расположенного ниже по потоку оборудования, такого как, например, установка обработки газов. Дальнейшее охлаждение части вентиляционных газов до второй, более низкой температуры с помощью второго теплообменника особенно подходит для вентиляционных газов, возвращаемых во внутреннюю зону укрытия. Следовательно, часть вентиляционных газов, используемая для охлаждения внутренней зоны, эффективно охлаждается до более низкой температуры, чем температура части вентиляционных газов, подаваемых в расположенное ниже по потоку оборудование, такое как, например, установка обработки газов.
Согласно одному варианту реализации охлаждающую среду вначале пропускают через второй теплообменник, а затем пропускают через первый теплообменник. Следовательно, ту часть вентиляционных газов, которая подлежит возвращению во внутреннюю зону укрытия, вначале охлаждают в первом теплообменнике, а затем во втором теплообменнике, в то время как охлаждающую среду вначале пропускают через второй теплообменник, а затем пропускают через первый теплообменник, заставляя охлаждающую среду охлаждать часть вентиляционных газов в противоточном режиме в первом и втором теплообменниках. Преимущество данного варианта реализации заключается в том, что охлаждение возвращаемых вентиляционных газов и нагревание охлаждающей среды в противоточном режиме является очень эффективным.
Согласно другому варианту реализации охлажденные вентиляционные газы, возвращаемые во внутреннюю зону укрытия, вначале протекают через установку обработки газов для удаления по меньшей мере некоторого количества фторида водорода и/или диоксида серы, и/или частиц пыли, присутствующих в них. Преимущество данного варианта реализации заключается в том, что охлажденные вентиляционные газы являются сравнительно чистыми, т.е. относительно свободными от отходящих газов и/или частиц пыли, что может снизить риск коррозии и истирания оборудования во внутренней зоне укрытия, трубопроводах, увлажнителях, теплообменниках, вентиляторах и т.п., находящихся в контакте с охлажденными вентиляционными газами. Такая очистка охлажденных вентиляционных газов может также снизить опасность для здоровья, вызванную воздействием необработанных «грязных» вентиляционных газов.
Согласно другому варианту реализации по меньшей мере часть охлажденных вентиляционных газов возвращают во внутреннюю зону укрытия таким образом, который заставляет возвращенные охлажденные вентиляционные газы образовывать холодную «завесу» газа вокруг места питания порошком оксида алюминия, в котором порошок оксида алюминия подают в ванну. Преимущество данного варианта реализации заключается в том, что тепло, газы и частицы пыли, образующиеся во время подачи оксида алюминия в ванну, эффективно проконтролированы и отрегулированы с небольшим использованием окружающего воздуха или вовсе без него.
Согласно одному варианту реализации по меньшей мере часть охлажденных вентиляционных газов возвращают в верхнюю часть внутренней зоны укрытия. Преимущество данного варианта реализации заключается в том, что опасность избыточных температур в верхней части внутренней зоны укрытия из-за подъема горячих газов снижается, тем самым уменьшая термическую нагрузку на оборудование электролизера, размещенное в верхней части внутренней зоны укрытия.
Согласно одному варианту реализации по меньшей мере часть частиц пыли вентиляционных газов удаляют из них перед охлаждением вентиляционных газов в первом теплообменнике. Преимущество данного варианта реализации заключается в том, что он уменьшает истирание и/или закупоривание теплообменника либо подобного охлаждающего устройства или вентилятора частицами пыли вентиляционных газов.
Дальнейшей задачей настоящего изобретения является разработка электролизера для получения алюминия, который является более эффективным в отношении расходов на эксплуатацию оборудования обработки, чем в уровне техники.
Данная задача решается посредством электролизера для получения алюминия, включающего в себя ванну, содержимое ванны, по меньшей мере один катодный электрод, находящийся в контакте с упомянутым содержимым ванны, по меньшей мере один анодный электрод, находящийся в контакте с упомянутым содержимым ванны, укрытие, покрывающее по меньшей мере часть упомянутой ванны, внутреннюю зону, ограниченную упомянутым укрытием, и по меньшей мере один проточно соединенный с внутренней зоной всасывающий трубопровод для удаления вентиляционных газов из упомянутой внутренней зоны, и дополнительно включающего в себя
по меньшей мере один теплообменник для охлаждения по меньшей мере части вентиляционных газов, отведенных из упомянутой внутренней зоны посредством всасывающего трубопровода, и
по меньшей мере один обратный трубопровод для осуществления циркуляции по меньшей мере части вентиляционных газов, охлажденных теплообменником, во внутреннюю зону укрытия.
Преимущество данного электролизера для получения алюминия заключается в том, что по меньшей мере часть вентиляционных газов охлаждают и используют повторно, а не выбрасывают и заменяют, добавляя холодный, разбавляющий, влажный, окружающий воздух. Таким образом, при сниженном потоке вентиляционных газов, поскольку к ним добавляют мало окружающего воздуха или вообще не добавляют его, очистное оборудование работает более эффективно, в результате чего могут быть уменьшены размеры оборудования и его требуемая производительность.
Согласно одному варианту реализации к обратному трубопроводу присоединен вентилятор, обеспечивающий циркуляцию вентиляционных газов во внутреннюю зону укрытия. Преимущество данного варианта реализации заключается в том, что достигается равномерный и регулируемый поток возвращаемых охлажденных вентиляционных газов во внутреннюю зону укрытия.
Согласно одному варианту реализации упомянутый «по меньшей мере один теплообменник» представляет собой первый теплообменник для охлаждения вентиляционных газов, отведенных из внутренней зоны укрытия, причем второй теплообменник расположен в обратном трубопроводе для дальнейшего охлаждения холодных вентиляционных газов, возвращаемых во внутреннюю зону укрытия. Преимущество данного варианта реализации заключается в том, что охлаждение вентиляционных газов для возврата во внутреннюю зону может быть скомбинировано с охлаждением вентиляционных газов для очистной обработки, обеспечивая дополнительную эффективность.
Согласно одному варианту реализации для протекания охлаждающей среды из источника охлаждающей среды во второй теплообменник предназначена первая труба, для протекания охлаждающей среды из второго теплообменника в первый теплообменник предназначена вторая труба, а для протекания охлаждающей среды из первого теплообменника в приемник охлаждающей среды предназначена третья труба. Преимущество данного варианта реализации заключается в том, что температура охлаждающей среды, выходящей из первого теплообменника, может быть относительно высокой, например, всего лишь на примерно 10°-30°С ниже, чем температура вентиляционных газов, отводимых из внутренней зоны укрытия, что делает такую охлаждающую среду полезной для целей нагрева в других частях процесса.
Согласно одному варианту реализации обратный трубопровод представляет собой комбинированный обслуживающий и обратный трубопровод, для направления возвращаемых вентиляционных газов через упомянутый комбинированный обслуживающий и обратный трубопровод во внутреннюю зону укрытия в первом рабочем режиме установлен вентилятор для оборотного газа, а комбинированный обслуживающий и обратный трубопровод предназначен для транспортировки вентиляционных газов из внутренней зоны укрытия во втором рабочем режиме. Преимущество данного варианта реализации заключается в том, что один и тот же обратный трубопровод может быть использован для возвращения только что охлажденных вентиляционных газов во внутреннюю зону укрытия во время обычной работы и для создания усиленной тяги вентиляционных газов из внутренней зоны укрытия во время ремонта и обслуживания электролизера, т.е. введения в электролизер расходных материалов, замены отработанных углеродных анодов, покрытия электролизеров рециркулированным содержимым ванны и оксидом алюминия и т.п.
Согласно другому варианту реализации электролизер для получения алюминия включает в себя по меньшей мере один расположенный над ванной питатель оксида алюминия для подачи порошка оксида алюминия в ванну, а также обратный трубопровод, проточно соединенный с кожухом питателя оксида алюминия для подачи возвращенных охлажденных вентиляционных газов в упомянутый кожух. Преимущество данного варианта реализации заключается в том, что удаление газов и частиц пыли, образовавшихся во время подачи порошка оксида алюминия в ванну, может быть осуществлено более эффективно, поскольку в процессе используется мало окружающего воздуха или такой воздух не используется вовсе.
Согласно другому варианту реализации упомянутый кожух представляет собой двухстенный кожух, имеющий наружную стенку и внутреннюю стенку, причем внутренней поверхностью наружной стенки и внешней поверхностью внутренней стенки ограничено первое пространство, через которое протекают возвращенные охлажденные вентиляционные газы, а внутренней поверхностью внутренней стенки ограничено второе пространство, через которое протекают вентиляционные газы. Преимущество такого кожуха заключается в том, что газы и частицы пыли могут быть очень эффективно собраны и удалены из электролизера у питателя оксида алюминия.
Согласно другому варианту реализации обратный трубопровод проточно соединен с первым пространством кожуха питателя оксида алюминия для подачи охлажденных вентиляционных газов в упомянутое первое пространство, а со вторым пространством проточно соединен всасывающий трубопровод для отвода наполненных отходящими газами и частицами пыли вентиляционных газов из второго пространства.
Дальнейшие задачи и признаки настоящего изобретения станут очевидными из нижеследующих подробного описания и формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 представляет собой схематический вид сбоку завода по производству алюминия;
Фиг.2 представляет собой увеличенный схематический вид сбоку электролизера для получения алюминия согласно первому варианту реализации;
Фиг.3 представляет собой схематический вид сбоку электролизера для получения алюминия согласно второму варианту реализации;
Фиг.4 представляет собой схематический вид сбоку электролизера для получения алюминия согласно третьему варианту реализации;
Фиг.5 представляет собой схематический вид сбоку электролизера для получения алюминия согласно четвертому варианту реализации;
Фиг.6 представляет собой схематический вид сбоку электролизера для получения алюминия согласно пятому варианту реализации;
Фиг.7 представляет собой схематический вид сбоку электролизера для получения алюминия согласно шестому варианту реализации;
Фиг.8а представляет собой увеличенный схематический вид сбоку питателя оксида алюминия электролизера для получения алюминия по Фиг.7; и
Фиг.8b представляет собой вид в разрезе питателя оксида алюминия по Фиг.8а вдоль линии В-В.
Подробное описание предпочтительных вариантов реализации
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение завода 1 по производству алюминия. Основной составляющей частью завода 1 по производству алюминия является электролизный цех 2 для получения алюминия, в котором может быть установлено некоторое число электролизеров для получения алюминия. На Фиг.1 для большей ясности и простоты изображен всего лишь один электролизер 4 для получения алюминия, однако подразумевается, что электролизный цех 2 может обычно содержать от 50 до 200 электролизеров. Электролизер 4 для получения алюминия включает в себя некоторое число анодных электродов 6, обычно от шести до тридцати анодных электродов, которые обычно установлены двумя параллельными рядами, простирающимися по длине электролизера 4, и простираются в содержимое 8а ванны 8. В ванне 8 также расположен один или более катодных электродов 10. Процесс, происходящий в электролизере 4, может представлять собой хорошо известный процесс Холла-Эру, при котором оксид алюминия (глинозем), растворенный в расплаве фторсодержащих минералов, подвергают электролизу с образованием алюминия, поскольку электролизер 4 действует как ячейка электролиза. Порошковый оксид алюминия подают в электролизер 4 из бункера 12, встроенного в надстройку 12а электролизера 4. Порошковый оксид алюминия подают в ванну 8 посредством питателей 14. Каждый питатель 14 может быть оснащен подающей трубой 14а, загрузочным отверстием 14b и коркопробойником 14с, который способен при работе проделывать отверстие в корке, часто образующейся на поверхности содержимого 8а. Пример коркопробойника описан в US 5045168.
В процессе электролиза, происходящем в электролизере 4, выделяются большие количества тепла, а также частицы пыли и отходящие газы, включая, но не ограничиваясь ими, фторид водорода, диоксид серы и диоксид углерода. Над по меньшей мере частью ванны 8 установлено укрытие 16, ограничивающее внутреннюю зону 16а. С внутренней зоной 16а проточно соединен через укрытие 16 всасывающий трубопровод 18. Подобные всасывающие трубопроводы 18 всех параллельных электролизеров 4 проточно соединены с одним коллекторным трубопроводом 20. Вентилятор 22 отводит вентиляционные газы из коллекторного трубопровода 20 через всасывающий трубопровод 24 в установку 26 обработки газов. Вентилятор 22 предпочтительно расположен ниже по потоку относительно установки 26 обработки газов для создания отрицательного давления в установке 26 обработки газов. Однако, в качестве альтернативы, вентилятор 22 может быть также размещен во всасывающем трубопроводе 24. Вентилятор 22 создает через проточно соединенные всасывающий трубопровод 18, коллекторный трубопровод 20 и всасывающий трубопровод 24 всасывание во внутренней зоне 16а укрытия 16. В результате такого всасывания во внутреннюю зону 16а также будет засасываться некоторое количество окружающего воздуха, главным образом через отверстия, образующиеся между дверцами 28 боковой стенки, некоторые из которых были удалены на иллюстрации по Фиг.1 с тем, чтобы более ясно проиллюстрировать анодные электроды 6. Какой-то окружающий воздух будет также поступать во внутреннюю зону 16а через другие отверстия, такие как отверстия между крышками (не показаны) и панелями (не показаны), составляющими укрытие 16 и надстройку 12а электролизера 4. Окружающий воздух, засасываемый во внутреннюю зону 16а посредством вентилятора 22, будет охлаждать внутренние конструкции электролизера 4, включая, например, анодные электроды 6, а также будет захватывать отходящие газы и частицы пыли, образующиеся при электролизе оксида алюминия. Поэтому вентиляционные газы, покидающие внутреннюю зону 16а, будут содержать смесь окружающего воздуха, отходящих газов и частиц пыли, образующихся в процессе производства алюминия.
2
В установке 26 обработки газов вентиляционные газы смешивают в контактном реакторе 30 с абсорбентом, обычно представляющим собой оксид алюминия, который затем может быть использован в процессе производства алюминия. Оксид алюминия реагирует с некоторыми компонентами вентиляционных газов, в частности, фторидом водорода, HF, и диоксидом серы, SO. Дисперсные продукты реакции, образовавшиеся в результате реакции оксида алюминия с фторидом водорода и диоксидом серы, затем отделяют от вентиляционных газов с помощью тканевого фильтра 32. Помимо удаления фторида водорода и диоксида серы из вентиляционных газов, установка 26 обработки газов с помощью тканевого фильтра 32 также отделяет по меньшей мере часть частиц пыли, захватываемых вентиляционными газами из внутренней зоны 16а. Пример подходящей установки 26 обработки газов более подробно описан в US 5885539.
Необязательно, вентиляционные газы, выходящие из установки 26 обработки газов, далее обрабатывают в устройстве 27 удаления диоксида серы. Устройство 27 удаления диоксида серы удаляет большую часть диоксида серы, остающегося в вентиляционных газах после обработки в установке 26 обработки газов. Устройство 27 удаления диоксида серы может, например, представлять собой скруббер с морской водой, описанный в US 5484535, известняковый мокрый скруббер, такой как описанный в ЕР 0 162 536, или какое-либо иное подобное устройство, использующее щелочное поглощающее вещество для удаления диоксида серы из вентиляционных газов.
Необязательно, вентиляционные газы, выходящие из установки 26 обработки газов или же устройства 27 удаления диоксида серы в зависимости от обстоятельств, проходят по проточно подсоединенному трубопроводу 34 в устройство 36 удаления диоксида углерода, которое удаляет по меньшей мере некоторое количество диоксида углерода из вентиляционных газов. Устройство 36 удаления диоксида углерода может быть любого типа, подходящего для удаления газообразного диоксида углерода из вентиляционных газов. Примером подходящего устройства 36 удаления диоксида углерода является устройство, оборудованное для осуществления процесса охлажденным аммиаком. При осуществления процесса охлажденным аммиаком вентиляционные газы приводятся в контакт, например, с раствором или суспензией карбоната аммония и/или бикарбоната аммония при низкой температуре, такой как от 0° до 10°С, в абсорбере 38. Раствор или суспензия селективно абсорбирует газообразный диоксид углерода из вентиляционных газов. Следовательно, очищенные вентиляционные газы, содержащие в основном газообразный азот и газообразный кислород, выходят из абсорбера 38 через проточно подсоединенный трубопровод 40 для чистого газа и выбрасываются в атмосферу через проточно подсоединенную дымовую трубу 42. Отработанный раствор или суспензию карбоната аммония и/или бикарбоната аммония транспортируют из абсорбера 38 в регенератор 44, в котором раствор или суспензию карбоната аммония и/или бикарбоната аммония нагревают до температуры, составляющей, например, от 50° до 150°С, вызывая высвобождение диоксида углерода в концентрированном газообразном виде. Затем регенерированный раствор или суспензию карбоната аммония и/или бикарбоната аммония возвращают в абсорбер 38. Концентрированный газообразный диоксид углерода протекает из регенератора 44 через проточно подсоединенный трубопровод 46 в установку 48 обработки газа, в которой концентрированный газообразный диоксид углерода сжимается. От сжатого концентрированного диоксида углерода можно избавиться, например, закачав его в старую шахту или т.п. Пример устройства 36 удаления диоксида углерода описанного выше типа раскрыт в US 2008/0072762. Следует понимать, что могут быть также использованы и другие устройства удаления диоксида углерода.
Фиг.2 представляет собой увеличенный схематический вид сбоку электролизера 4 для получения алюминия. Для большей ясности на Фиг.2 изображены только два анодных электрода 6. Как описано выше со ссылкой на Фиг.1, вентилятор 22 затягивает вентиляционные газы из внутренней зоны 16а укрытия 16 в проточно подсоединенный всасывающий трубопровод 18. В результате засасывания, создаваемого вентилятором 22, окружающий воздух, обозначенный как «А» на Фиг.2, всасывается во внутреннюю зону 16а через схематически показанные, не газогерметизированные щели 50, имеющиеся между панелями боковых стенок (не показаны) и дверец (не показаны). Вентиляционные газы, всасываемые из внутренней зоны 16а, попадают во всасывающий трубопровод 18. Всасывающий трубопровод 18 может быть проточно соединен с по меньшей мере одним, но чаще с по меньшей мере двумя внутренними всасывающими трубопроводами 19. Для большей ясности на Фиг.2 изображен только один внутренний всасывающий трубопровод 19. Внутренний всасывающий трубопровод 19 может иметь ряд щелей или сопел 21 для создания равномерной тяги вентиляционных газов из внутренней зоны 16а во внутренний всасывающий трубопровод 19.
Теплообменник 52 установлен в трубопроводе 18 проточно подсоединенным сразу за внутренним всасывающим трубопроводом 19. Охлаждающую среду, обычно представляющую собой охлаждающую текучую среду, такую как жидкость или газ, например, охлаждающую воду или охлаждающий воздух, подают в теплообменник 52 по подводящей трубе 54. Охлаждающая среда может поступать из источника охлаждающей среды, который может, например, представлять собой окружающий воздух, озеро или море, емкость для воды районной системы теплоснабжения и т.д. Следовательно, теплообменник 52 может представлять собой газожидкостной теплообменник в том случае, если охлаждающая среда представляет собой жидкость, или газо-газовый теплообменник в том случае, если охлаждающая среда представляет собой газ. Циркуляция охлаждающей среды может, например, осуществляться через теплообменник 52 в направлении, являющемся противотоком, прямотоком или перекрестным током по отношению к проходящим через него вентиляционным газам. Зачастую предпочтительной является циркуляция охлаждающей среды через теплообменник 52 противотоком к вентиляционным газам для обеспечения максимальной теплопередачи охлаждающей среде до того, как она покинет теплообменник 52. Обычно охлаждающая среда имеет температуру от 40° до 100°С. В том случае, если охлаждающая среда представляет собой находящийся в помещении воздух из электролизного цеха 2, проиллюстрированного на Фиг.1, охлаждающая среда будет обычно иметь температуру на примерно 10°С выше температуры окружающего воздуха. Вентиляционные газы, отведенные из внутренней зоны 16а через всасывающий трубопровод 18, обычно имеют температуру от 90° до 200°С, однако данная температура может также достигать 300°С или даже более. В теплообменнике 52 вентиляционные газы охлаждаются до температуры, обычно составляющей от 70° до 130°С. По мере охлаждения вентиляционных газов температура охлаждающей среды повышается обычно до 60°-110°С или даже более. Следовательно, нагретая охлаждающая среда с температурой от 60° до 110°С или даже вплоть до 270°С, например, выходит из теплообменника 52 по трубе 56. Охлаждающая среда, выходящая по трубе 56, может быть направлена в приемник охлаждающей среды, например, окружающий воздух, озеро или море, емкость для воды районной системы теплоснабжения и т.д. Нагретая охлаждающая среда может затем быть рециркулирована и использована в других частях процесса, например, в регенераторе 44, описанном выше со ссылкой на Фиг.1. Нагретая охлаждающая среда может быть также использована в других целях, таких как, например, получение воды для теплоснабжения района, в районных системах охлаждения, использующих горячую воду для работы абсорбционных охлаждающих аппаратов, или в качестве источника тепла для опреснительных установок, описанных в патентной заявке WO 2008/113496.
Обратный трубопровод 58 проточно соединен с всасывающим трубопроводом 18 ниже по потоку относительно теплообменника 52. Обратный трубопровод 58 может рециркулировать охлажденные вентиляционные газы в один торец электролизера 4 или же может рециркулировать охлажденные вентиляционные газы в подводящий трубопровод 60, который установлен внутри внутренней зоны 16а. Вентилятор 62 оборотного газа осуществляет циркуляцию охлажденных вентиляционных газов назад в электролизер 4 и подводящий трубопровод 60. Трубопровод 60 имеет сопла 64 для распределения охлажденных вентиляционных газов, обозначенных буквой “V” на Фиг.2, во внутренней зоне 16а. Внутренний всасывающий трубопровод 19 может быть расположен в той же горизонтальной плоскости, Р1, что и подводящий трубопровод 60, либо, как показано на Фиг.2, в другой горизонтальной плоскости, Р2. Внутренний всасывающий трубопровод 19 может быть также более или менее объединен с трубопроводом 60, например, в виде двухстенного трубопровода.
Сопла 64 трубопровода 60 расположены, как показано на Фиг.2, в верхней части 66 внутренней зоны 16а. Окружающий воздух А, поступающий во внутреннюю зону 16а через зазоры 50, обтекает ванну 8 и аноды 6 и таким образом нагревается. Нагретый окружающий воздух движется вертикально вверх по направлению к своду 68 укрытия 16. Оборудование внутри электролизера 4, особенно расположенное в верхней части 66 внутренней зоны 16а, требует защиты от воздействия очень горячих вентиляционных газов. С целью обеспечения безопасной работы и длительного срока службы такого оборудования температуры в верхней части 66 внутренней зоны 16а должны предпочтительно составлять менее примерно 200-250°С, чтобы избежать или минимизировать слишком высокие тепловые нагрузки на оборудование. Кроме того, отходящие газы, образующиеся в процессе получения алюминия, являются горячими и склонны накапливаться под сводом 68 укрытия 16. При очень высоких температурах у свода 68 опасность утечки таких накопленных отходящих газов повышается. В результате подачи охлажденных вентиляционных газов через сопла 64 в верхнюю часть 66 вентиляционные газы в верхней части 66 охлаждаются. Такое охлаждение снижает риск выхода из строя оборудования внутри электролизера 4 из-за избыточных температур и утечки накопленных горячих отходящих газов.
Охлажденные вентиляционные газы, выпускаемые в верхнюю часть 66, имеют тенденцию создавать градиент температуры вентиляционных газов внутри электролизера 4. Такой градиент температуры имеет более низкие температуры в верхней части 66 и повышающиеся температуры по направлению к точкам питания оксидом алюминия в нижней части электролизера 4, где питатель 14 оксида алюминия, проиллюстрированный на Фиг.1, подает порошковый оксид алюминия в ванну 8. Такой градиент температуры положительно влияет на срок службы оборудования внутри электролизера 4 и существенно отличается от способов и устройств уровня техники, в которых температуры выше в верху электролизера.
3
Охлажденные вентиляционные газы охлаждают внутреннюю зону 16а. Охлажденные вентиляционные газы замещают некоторое количество находящегося в помещении окружающего воздуха. Следовательно, количество находящегося в помещении окружающего воздуха, втягиваемого во внутреннюю зону 16а через зазоры 50, меньше по сравнению с электролизерами уровня техники. Более того, циркуляция части вентиляционных газов из внутренней зоны 16а назад во внутреннюю зону 16а в виде охлажденных вентиляционных газов приводит к повышенной концентрации отходящих газов, таких как фторид водорода, диоксид серы, диоксид углерода и частицы пыли, в вентиляционных газах. Обычно от примерно 10% до примерно 80% общего количества вентиляционных газов, отведенных из внутренней зоны 16а, рециркулируют обратно во внутреннюю зону 16а после охлаждения в теплообменнике 52. Как следствие этого, общий поток вентиляционных газов, очищаемых в установке 26 обработки газов, уменьшается по сравнению со способом уровня техники. Это является преимуществом, поскольку благодаря этому установка 26 обработки газов имеет меньшую требуемую производительность, измеряемую в м/ч вентиляционных газов, тем самым снижая капитальные вложения и текущие эксплуатационные расходы на установку 26 обработки газов. Другое преимущество уменьшения количества находящегося в помещении окружающего воздуха, затягиваемого во внутреннюю зону 16а, заключается в снижении количества влаги, транспортируемой через установку 26 обработки газов. Такая влага происходит в основном из влаги, присутствующей в окружающем воздухе. Измеряемое в кг/ч количество влаги, переносимой через установку 26 обработки газов, оказывает большое влияние на образование твердой окалины и корки на деталях установки, таких как реакторы и фильтры, в контакте с вентиляционными газами. Следовательно, благодаря уменьшению количества влаги, переносимой через установку 26 обработки газов, могут быть снижены расходы на техническое обслуживание и эксплуатацию, связанные с образованием окалины и корки внутри установки 26 обработки газов. Кроме того, необязательное устройство 36 удаления диоксида углерода может также иметь конструкцию с меньшей производительностью благодаря меньшему потоку вентиляционных газов, что снижает связанные с этим расходы. Применение установки 26 обработки газов целесообразно при очистке вентиляционных газов, имеющих относительно высокие концентрации газообразного фторида водорода и газообразного диоксида серы. Более высокие концентрации таких газов делают процесс очистки на установке 26 обработки газов более эффективным. Это также относится к устройству 36 удаления диоксида углерода. Применение устройства 36 удаления диоксида углерода целесообразно при обработке вентиляционных газов, имеющих относительно высокие концентрации диоксида углерода, что делает работу абсорбера 38 более эффективной.
Необязательно, внутри всасывающего трубопровода 18 выше по потоку относительно теплообменника 52 может быть расположено устройство 70 удаления пыли. Устройство 70 удаления пыли может представлять собой, например, тканевой фильтр, циклон или подобное устройство удаления пыли, способное удалять по меньшей мере часть частиц пыли, захваченных вентиляционными газами, до протекания вентиляционных газов в теплообменник 52. Устройство 70 удаления пыли снижает вероятность забивания теплообменника 52 частицами пыли, а также снижает вероятность истирания, вызванного частицами пыли в теплообменнике 52, вентиляторе 62, трубопроводах 18, 58, 60 и соплах 64.
Фиг.3 представляет собой схематический вид сбоку электролизера 104 для получения алюминия согласно второму варианту реализации. Многие признаки электролизера 104 аналогичны признакам электролизера 4, поэтому такие признаки получили аналогичные ссылочные номера. Всасывающий трубопровод 118 проточно соединен с внутренней зоной 16а через укрытие 16 для отведения вентиляционных газов из внутренней зоны 16а. Теплообменник 52 установлен внутри трубопровода 118 сразу за укрытием 16. Охлаждающую среду, такую как охлаждающая вода или охлаждающий воздух, подают в теплообменник 52 по подводящей трубе 54 для охлаждения вентиляционных газов аналогичным описанному выше со ссылкой на Фиг.2 образом. Возвращаясь к Фиг.3, отработанная охлаждающая среда выходит из теплообменника 52 по трубе 56.
Вентилятор 162 для вентиляционных газов установлен внутри трубопровода 118 ниже по потоку относительно теплообменника 52. Вентилятор 162 осуществляет циркуляцию вентиляционных газов из внутренней зоны 16а в установку 26 обработки газов по трубопроводу 118, коллекторному трубопроводу 20 и всасывающему трубопроводу 24, описанным выше со ссылкой на Фиг.1. Следовательно, вентилятор 162 помогает вентилятору 22, изображенному на Фиг.1, в осуществлении циркуляции вентиляционных газов из внутренней зоны 16а в установку 26 обработки газов.
Обратный трубопровод 158 проточно соединен с трубопроводом 118 ниже по потоку за вентилятором 162. Трубопровод 158 проточно соединен с трубопроводом 60, установленным внутри внутренней зоны 16а. Вентилятор 162 осуществляет циркуляцию вентиляционных газов, охлажденных в теплообменнике 52, в трубопровод 158 и трубопровод 60, оборудованный соплами 64 для распределения охлажденных вентиляционных газов V внутри внутренней зоны 16а.
По сравнению с электролизером 4, описанным со ссылкой на Фиг.2, вентилятор 162 электролизера 104 выполняет двойную функцию, помогая вентилятору 22 транспортировать вентиляционные газы в установку 26 обработки газов и рециркулируя часть охлажденных вентиляционных газов назад во внутреннюю зону 16а для уменьшения затягивания окружающего воздуха и повышения концентраций загрязняющих веществ в вентиляционных газах, в конечном счете обрабатываемых в установке 26 обработки газов и устройстве 36 удаления диоксида углерода.
Фиг.4 представляет собой схематический вид сбоку электролизера 204 для получения алюминия согласно третьему варианту реализации. Многие признаки электролизера 204 аналогичны признакам электролизера 4, поэтому такие признаки получили аналогичные ссылочные номера. Всасывающий трубопровод 18 проточно соединен с внутренней зоной 16а через укрытие 16. Первый теплообменник 252 установлен в трубопроводе 18 сразу за укрытием 16. Обратный трубопровод 258 проточно соединен с трубопроводом 18 ниже по потоку за первым теплообменником 252. Второй теплообменник 259 установлен в трубопроводе 258.
Охлаждающую среду в виде охлаждающей текучей среды, такой как охлаждающая вода или охлаждающий воздух, подают во второй теплообменник 259 по первой трубе 253. Частично отработанная охлаждающая текучая среда покидает второй теплообменник 259 по второй трубе 254. Труба 254 доставляет частично отработанную охлаждающую текучую среду в первый теплообменник 252. Отработанная охлаждающая текучая среда выходит из первого теплообменника 252 по третьей трубе 256.
Трубопровод 258 проточно соединен с подводящим трубопроводом 60, который установлен внутри внутренней зоны 16а. Вентилятор 262 оборотного газа, установленный в трубопроводе 258 ниже по потоку за вторым теплообменником 259, осуществляет циркуляцию вентиляционных газов, охлажденных в первом и втором теплообменниках 252, 259, в трубопровод 60. Трубопровод 60 оборудован соплами 64 для распределения охлажденных вентиляционных газов, обозначенных буквой «V» на Фиг.4, во внутренней зоне 16а.
Следовательно, в электролизере 204 часть вентиляционных газов, отведенных из внутренней зоны 16а, охлаждают и рециркулируют назад во внутреннюю зону 16а. Охлажденные вентиляционные газы охлаждают двумя стадиями, во-первых, в первом теплообменнике 252, а во-вторых, во втором теплообменнике 259. Обычно охлаждающая текучая среда, подаваемая по трубе 253 во второй теплообменник 259, может иметь температуру от примерно 40° до примерно 80°С. Частично отработанная охлаждающая текучая среда, выходящая из второго теплообменника 259 по трубе 254, может обычно иметь температуру от примерно 60° до примерно 100°С. Отработанная охлаждающая текучая среда, выходящая из первого теплообменника 252 по трубе 256, может обычно иметь температуру от примерно 80° до примерно 180°С или даже вплоть до 270°С, или даже выше. Вентиляционные газы, отведенные из внутренней зоны 16а по трубопроводу 18, обычно имеют температуру от примерно 90° до примерно 200°С или даже выше. В первом теплообменнике 252 вентиляционные газы охлаждают до температуры, обычно составляющей от примерно 70° до примерно 130°С. Охлажденные вентиляционные газы, рециркулируемые по трубопроводу 258 во внутреннюю зону 16а, обычно охлаждают далее во втором теплообменнике 259 до температуры, обычно составляющей от примерно 50° до примерно 110°С.
По сравнению с электролизером 4, описанным выше со ссылкой на Фиг.2, электролизер 204 повышает теплопередачу охлаждающей текучей среде, поскольку теплообменники 252, 259 расположены последовательно относительно потока охлаждающей текучей среды и потока вентиляционных газов, и при этом охлаждающая текучая среда и охлаждаемые вентиляционные газы движутся противотоком относительно друг друга. Повышенная теплопередача охлаждающей текучей среде повышает ценность охлаждающей текучей среды. Кроме того, тот факт, что охлажденные вентиляционные газы охлаждаются до более низкой температуры по сравнению с вариантом реализации, описанным выше со ссылкой на Фиг.2, позволяет заменить большую часть находящегося в помещении окружающего воздуха, который может иметь, например, температуру 30°С, рециркулируемыми охлажденными вентиляционными газами, температура которых составляет, например, 80°С, и все еще обеспечивать достаточно низкую температуру во внутренней зоне 16а. Циркуляция и использование охлажденных вентиляционных газов, а не использование добавляемого, разбавляющего, окружающего воздуха, ведут к меньшему потоку вентиляционных газов, подлежащих очистке установкой 26 обработки газов и устройством 36 удаления диоксида углерода, что приводит к снижению требуемой производительности оборудования и инвестиционных затрат.
В качестве альтернативы размещению двух теплообменников 252, 259, последовательных по отношению к потоку охлаждающей текучей среды и охлажденных вентиляционных газов, два теплообменника, 252, 259, могли бы работать независимо друг от друга по отношению к охлаждающей текучей среде. Каждый теплообменник мог бы даже работать с разным типом охлаждающей текучей среды.
Альтернативой размещению двух теплообменников 252, 259 для охлаждения вентиляционных газов является использование только одного теплообменника. Следовательно, электролизер 204 оснащен только первым теплообменником 252, размещенным внутри системы для таких же целей, как и в электролизере 4. Подобным же образом, мог бы быть использован только второй теплообменник 259 вместо второго теплообменника 252. В последнем случае охлаждают только часть вентиляционных газов, подлежащую рециркуляции назад во внутреннюю зону 16а.
Фиг.5 представляет собой схематический вид сбоку электролизера 304 для получения алюминия согласно четвертому варианту реализации. Многие признаки электролизера 304 аналогичны признакам электролизера 4, поэтому такие признаки получили аналогичные ссылочные номера. Всасывающий трубопровод 18 проточно соединен с внутренней зоной 16а через укрытие 16 для отведения вентиляционных газов из внутренней зоны 16а. Теплообменник 52 установлен в трубопроводе 18 сразу за укрытием 16. Охлаждающую среду, такую как охлаждающая вода или охлаждающий воздух, подают в теплообменник 52 по подводящей трубе 54 для охлаждения вентиляционных газов аналогичным описанному выше со ссылкой на Фиг.2 образом. Возвращаясь к Фиг.5, охлаждающая среда выходит из теплообменника 52 по трубе 56.
Газовый трубопровод 359 проточно соединен с трубопроводом 18 ниже по потоку за теплообменником 52. Вентилятор 362 оборотного газа осуществляет циркуляцию части охлажденных вентиляционных газов из трубопровода 18 в трубопровод 359. Трубопровод 359 проточно соединен с комбинированным обслуживающим и обратным трубопроводом 358. Как проиллюстрировано на Фиг.5, комбинированный обслуживающий и обратный трубопровод 358 является, с правой стороны от соединения с трубопроводом 359, проточно соединенным с подводящим трубопроводом 60, расположенным внутри внутренней зоны 16а. С левой стороны от соединения с газовым трубопроводом 359 комбинированный обслуживающий и обратный трубопровод 358 оснащен задвижкой 363 и газовым вентилятором 365 обслуживания. При нормальных рабочих условиях задвижка 363 закрыта и вентилятор 365 не работает. В таком случае вентилятор 362 осуществляет циркуляцию вентиляционных газов, охлажденных в теплообменнике 52, в трубопровод 358. Поскольку в данном случае задвижка 363 закрыта, охлажденные вентиляционные газы циркулируют в трубопровод 60, оборудованный соплами 64 для распределения охлажденных вентиляционных газов V внутри внутренней зоны 16а, как описано выше со ссылкой на Фиг.2.
Возвращаясь к Фиг.5, электролизер 304 переключают с описанных выше нормальных рабочих условий или режима на рабочий режим обслуживания, т.е. режим, при котором, например, один или более израсходованных анодных электродов 6 необходимо заменить новыми. В рабочем режиме обслуживания вентилятор 362 не работает, задвижка 363 открыта, а вентилятор 365 работает. Вентилятор 365 откачивает окружающий воздух из внутренней зоны 16а через трубопровод 60 и сопла 64. Следовательно, в рабочем режиме обслуживания трубопровод 358 используют для охлаждения и увеличения вентиляции во внутренней зоне 16а. В этом процессе большие выбросы газа и частиц пыли из электролизера во время операций обслуживания отводятся трубопроводом 60, улучшая рабочие условия для операторов, осуществляющих обслуживание, например, замену израсходованных анодных электродов 6. Обычно поток воздуха из внутренней зоны 16а в рабочем режиме обслуживания через трубопроводы 60 и 358 от двух до четырех раз больше потока вентиляционных газов, отводимого из внутренней зоны 16а в нормальном рабочем режиме. Таким образом, трубопровод 358 используют для циркуляции части охлажденных вентиляционных газов во внутреннюю зону 16а в нормальном рабочем режиме и используют для охлаждения и увеличения вентиляции внутренней зоны 16а в рабочем режиме обслуживания. На Фиг.5 направление газового потока в трубопроводе 358 в нормальном рабочем режиме обозначено стрелкой FN, а в рабочем режиме обслуживания - стрелкой FT.
Трубопроводы 358 и 18 будут обычно проточно соединены с трубопроводом 24 через коллекторный трубопровод 20 для обработки больших выбросов газа и частиц пыли из электролизеров в рабочем режиме обслуживания, наряду с обработкой вентиляционных газов из электролизеров в нормальном рабочем режиме в установке 26 обработки газов.
Тяга, созданная в трубопроводе 358 посредством вентилятора 22, установленного в трубопроводе 34 ниже по потоку за установкой 26 обработки газов, может быть достаточной для отведения определенного потока вентиляционных газов по трубопроводу 358 также и без использования вентилятора 365, когда задвижка 363 открыта. Имеется падение давления в теплообменнике 52 и падение давления в проточно соединенном трубопроводе 18. Обычное падение давления в теплообменнике 52 и трубопроводе 18 составляет от примерно 500 Па до примерно 1000 Па, что похоже на или больше чем падение давления в трубопроводе 358, параллельном трубопроводу 18. Такое падение давления в теплообменнике 52 и трубопроводе 18 вызывает такой поток газов обслуживания через трубопровод 358 в режиме обслуживания, когда задвижка 363 открыта, а также в отсутствие газового вентилятора 365 обслуживания, который обычно соответствует потоку газов с одинаковым или двойным расходом от потока вентиляционных газов в трубопроводе 18 в таком режиме обслуживания.
В качестве возможного варианта дополнительный теплообменник 372 устанавливают в трубопроводе 24. Теплообменник 372 обеспечивает дальнейшее охлаждение вентиляционных газов, рециркулируемых в установку 26 обработки газов. Дальнейшее охлаждение вентиляционных газов теплообменником 372 обеспечивает еще большее уменьшение размера оборудования и требуемой производительности установки 26 обработки газов. Через дополнительный теплообменник 372 осуществляют циркуляцию охлаждающей среды, такой как окружающий воздух или охлаждающая вода. Можно также необязательно осуществлять циркуляцию охлаждающей среды из теплообменника 372 через теплообменник 52 противотоком по отношению к вентиляционным газам.
Фиг.6 представляет собой схематический вид сбоку электролизера 404 для получения алюминия согласно пятому варианту реализации. Многие признаки электролизера 404 аналогичны признакам электролизера 4 для получения алюминия, поэтому такие признаки получили аналогичные ссылочные номера. Всасывающий трубопровод 18 проточно соединен с внутренней зоной 16а для пропускания вентиляционных газов из внутренней зоны 16а. Теплообменник 52 установлен в трубопроводе 18 сразу за внутренней зоной 16а. Охлаждающую среду, такую как охлаждающая вода или охлаждающий воздух, подают в теплообменник 52 по подводящей трубе 54 для охлаждения вентиляционных газов аналогичным описанному выше со ссылкой на Фиг.2 образом. Возвращаясь к Фиг.6, охлаждающая среда выходит из теплообменника 52 по трубе 56.
В электролизере 404 весь поток вентиляционных газов отводят из внутренней зоны 16а с помощью вентилятора 22 по трубопроводу 18, коллекторному трубопроводу 20, газовсасывающему трубопроводу 24 и установки 26 обработки газов. Трубопровод 20, трубопровод 24 и установка 26 обработки газов все относятся к тому же типу, описанному выше со ссылкой на Фиг.1. В установке 26 обработки газов фторид водорода, диоксид серы и частицы пыли по меньшей мере частично удаляют из вентиляционных газов. Следовательно, довольно чистые вентиляционные газы, все еще содержащие диоксид углерода, отводятся из установки 26 обработки газов и поступают в вентилятор 22, расположенный ниже по потому за установкой 26 обработки газов. Вентилятор 22 осуществляет циркуляцию вентиляционных газов через трубопровод 34 в устройство 36 удаления диоксида углерода, которое может быть того же типа, что и описанное выше со ссылкой на Фиг.1. В качестве альтернативы, вентилятор 22 может осуществлять циркуляцию вентиляционных газов в другую установку обработки газов, например, в устройство 27 удаления диоксида серы типа, изображенного на Фиг.1, или в дымовую трубу.
Обратный трубопровод 458 проточно соединен с трубопроводом 34 ниже по потоку за вентилятором 22, т.е. трубопровод 458 проточно соединен с трубопроводом 34 между вентилятором 22 и устройством 36 удаления диоксида углерода. Трубопровод 458 подобным образом проточно соединен с подводящим трубопроводом 60, расположенным внутри внутренней зоны 16а. Следовательно, вентилятор 22 осуществляет циркуляцию вентиляционных газов, охлажденных в теплообменнике 52 и очищенных в установке 26 обработки газов, в трубопровод 458 и трубопровод 60, оборудованный соплами 64 для распределения охлажденных вентиляционных газов V внутри внутренней зоны 16а.
По сравнению с электролизером 4 для получения алюминия, описанным выше со ссылкой на Фиг.2, в электролизере 404 для получения алюминия используются рециркулируемые вентиляционные газы, которые были очищены в установке 26 обработки газов. Поэтому охлажденные вентиляционные газы, рециркулируемые во внутреннюю зону 16а электролизера 404, имеют низкую концентрацию частиц пыли и отходящих газов, таких как фторид водорода и диоксид серы. Это временами является преимуществом, поскольку использование очищенных охлажденных вентиляционных газов может снизить риск возникновения коррозии оборудования, эрозии, образования окалины и т.д. Использование очищенных охлажденных вентиляционных газов также улучшает общие условия работы. Поскольку трубопровод 458, возвращающий охлажденные вентиляционные газы во внутреннюю зону 16а, расположен выше по потоку относительно устройства 36 удаления диоксида углерода, концентрация диоксида углерода в вентиляционных газах, транспортируемых в устройство 36 удаления диоксида углерода, выше, чем в процессе уровня техники, в котором не проводится циркуляция охлажденных вентиляционных газов.
В качестве возможного варианта в трубопроводе 24 может быть установлен дополнительный теплообменник 472. Теплообменник 472 обеспечивает дальнейшее охлаждение вентиляционных газов, рециркулируемых в установку 26 обработки газов. Дальнейшее охлаждение вентиляционных газов теплообменником 472 обеспечивает еще большее уменьшение размера оборудования и требуемой производительности установки 26 обработки газов. Кроме того, охлажденные вентиляционные газы, подлежащие рециркуляции во внутреннюю зону 16а по трубопроводу 458, дополнительно охлаждаются посредством дополнительного теплообменника 472, что обеспечивает более низкую температуру во внутренней зоне 16а по сравнению с использованием только теплообменника 52. Через дополнительный теплообменник 472 осуществляют циркуляцию охлаждающей среды, такой как окружающий воздух или охлаждающая вода. Можно также, необязательно, осуществлять циркуляцию охлаждающей среды из теплообменника 472 через теплообменник 52 противотоком по отношению к вентиляционным газам. Помимо того, теплообменник 472 может быть даже использован для замены теплообменника 52, поскольку вентиляционные газы, рециркулируемые во внутреннюю зону 16а, выходят из трубопровода 34 по трубопроводу 458, установленному после теплообменника 472. Также, в том случае, если дополнительный теплообменник 472 является единственным теплообменником, вентиляционные газы, подлежащие рециркуляции во внутреннюю зону 16а, все еще могут быть охлаждены.
В качестве следующего возможного варианта вентиляционные газы, проходящие по трубопроводу 458, могут быть дополнительно охлаждены еще одним дополнительным теплообменником, не проиллюстрированным по соображениям сохранения ясности иллюстрации, установленным в трубопроводе 458, либо, в качестве возможного варианта, установленным в трубопроводе 34 до соединения с трубопроводом 458.
На Фиг.7 проиллюстрирован электролизер 504 для получения алюминия согласно шестому варианту реализации. Укрытие 516 установлено над по меньшей мере частью ванны 508, создавая внутреннюю зону 516а. Всасывающий трубопровод 518 проточно соединен с внутренней зоной 516а через укрытие 516. Вентилятор, не показанный на Фиг.7 по соображениям простоты и ясности, отводит вентиляционные газы из трубопровода 518 в установку обработки газов (не показана), как описано выше со ссылкой на Фиг.1. Электролизер 504 включает в себя некоторое число анодных электродов 506, как правило, от шести до тридцати анодных электродов, обычно размещенных двумя параллельными рядами, расположенными вдоль длины электролизера 504. Электролизер 504 дополнительно включает в себя обычно 3-5 содержащих оксид алюминия бункеров, описанных далее более подробно со ссылкой на Фиг.8а, и такое же число питателей 514 оксида алюминия, расположенных по длине электролизера 504. Анодные электроды 506 простираются в содержимое 508а ванны 508. Один или более катодных электродов 510 расположены в содержимом 508а ванны 508. По соображениям простоты и ясности Фиг.7 на ней изображены только два анодных электрода 506.
Первый теплообменник 552 расположен в трубопроводе 518 сразу за укрытием 516. Обратный трубопровод 558 проточно соединен с трубопроводом 518 ниже по потоку за первым теплообменником 552. Второй теплообменник 559 расположен в трубопроводе 558. Трубопровод 558 проточно соединен с подводящим трубопроводом 560, расположенным внутри внутренней зоны 516а укрытия 516. Вентилятор 562 оборотного газа может быть расположен в трубопроводе 558 до или после второго теплообменника 559 для осуществления циркуляции охлажденных вентиляционных газов, охлаждаемых первым и вторым теплообменниками 552, 559, в трубопровод 560.
Охлаждающую среду, обычно охлаждающую текучую среду, такую как охлаждающая вода или охлаждающий воздух, подают во второй теплообменник 559 по трубе 553. Охлаждающая текучая среда выходит из второго теплообменника 559 по трубе 554. Труба 554 позволяет охлаждающей текучей среде протекать в первый теплообменник 552. Охлаждающая текучая среда выходит из первого теплообменника 552 по трубе 556.
Как и у электролизера 304, описанного выше со ссылкой на Фиг.4, в качестве альтернативы последовательному размещению первого и второго теплообменников 552, 559, можно было бы разместить эти теплообменники параллельно один другому относительно транспорта охлаждающей текучей среды. В теплообменниках 552, 559 могут быть также использованы различные охлаждающие текучие среды. Альтернативой размещению двух теплообменников 552, 559 для охлаждения вентиляционных газов, рециркулируемых во внутреннюю зону 516а, является использование только одного теплообменника 552 или 559. Следовательно, электролизер 504 может быть оборудован только первым теплообменником 552, что привело бы к расположению теплообменника, аналогичному использованному в электролизере 4, изображенном на Фиг.2, либо только вторым теплообменником 559. В последнем случае охлаждается только часть вентиляционных газов, рециркулируемая во внутреннюю зону 516а.
Трубопровод 518 проточно соединен с коллекторным трубопроводом 519, расположенным внутри внутренней зоны 516а. С целью сохранения ясности иллюстрации на Фиг.7 изображен только один питатель 514 оксида алюминия. Питатель 514 оборудован для отведения вентиляционных газов из внутренней зоны 516а. Такие вентиляционные газы, которые могут содержать фторид водорода, диоксид серы, диоксид углерода и дисперсный материал оксид алюминия, образующиеся при подаче оксида алюминия в ванну 508 электролизера 504, циркулируют в проточно соединенный трубопровод 519 и проточно соединенный трубопровод 518. Охлажденные вентиляционные газы подают в питатель 514 из проточно соединенного трубопровода 560, описанного далее более подробно.
Фиг.8а и 8b иллюстрируют питатель 514 оксида алюминия электролизера 504 для получения алюминия более подробно. Фиг.8а представляет собой вид питателя 514 в вертикальном разрезе, а Фиг.8b иллюстрирует поперечный разрез питателя 514, сделанный по линии В-В Фиг.8а.
Питатель 514 включает в себя расположенный по центру коркопробойник 570, используемый для разбивания корки 572, образующейся на поверхности содержимого 508а с выплавленным алюминием в ванне 508. Коркопробойник 570 включает в себя молотковую часть 574, используемую для пробивания корки 572, и поршневую часть 576, используемую для проталкивания молотковой части 574 через корку 572.
Питатель 514 дополнительно включает в себя подающую оксид алюминия трубу 578. Трубу 578 используют для прохождения порошка оксида алюминия из бункера 580 оксида алюминия в ванну 508 в месте питания, обозначенном буквами FP на Фиг.8а. Желаемым местом питания является зона, расположенная между двумя анодными электродами 506 непосредственно после того, как коркопробойник 570 проделал отверстие в корке 572. С этой целью труба 578 имеет выпускное отверстие 582, расположенное рядом с молотковой частью 574, так что регулируемое и дозированное количество порошка оксида алюминия может быть сброшено непосредственно в отверстие, проделанное в корке 572 молотковой частью 574.
Питатель 514 включает в себя двустенный кожух 584, имеющий наружную стенку 586 и внутреннюю стенку 588. Как лучше всего показано на Фиг.8b, между внутренней поверхностью 586а наружной стенки 586 и наружной поверхностью 588а внутренней стенки 588 образовано первое пространство 590. Внутренняя стенка 588 обычно повторяет форму наружной стенки 586 (параллельна ей). Внутренняя поверхность 588b внутренней стенки 588 ограничивает второе пространство 592. Как лучше всего показано на Фиг.8а, пространство 590 проточно соединено через трубопровод 594 с трубопроводом 560. Пространство 592 проточно соединено через вентиляционный трубопровод 596 с трубопроводом 519. Вентилятор 562, изображенный на Фиг.7, осуществляет циркуляцию охлажденных вентиляционных газов в трубопровод 560 через трубопровод 558. Наружная стенка 586 и внутренняя стенка 588 обе имеют открытые нижние концы 586с и 588с соответственно.
Как показано стрелками на Фиг.8а, возвращенные охлажденные вентиляционные газы протекают по трубопроводу 560 и трубопроводу 594 в пространство 590. Трубопровод 560 может быть необязательно оборудован соплами 564. Такое сопло 564, показанное на Фиг.8а, служит для циркуляции охлажденных вентиляционных газов, обозначенных буквой «V» на Фиг.8а, во внутреннюю зону 516а. Следовательно, охлажденные вентиляционные газы могут быть рециркулированы как в питатель 514 по трубопроводу 594, так и во внутреннюю зону 516а через сопла 564.
Охлажденные вентиляционные газы, рециркулируемые по трубопроводу 594 в пространство 590, протекают вниз по пространству 590, образуя «завесу» из охлажденных вентиляционных газов вокруг зоны FP, где работает коркопробойник 570 и где подается оксид алюминия из выпускного отверстия 582 трубы 578 в ванну 508. Охлажденные вентиляционные газы захватывают отходящие газы и частицы пыли, которые могут включать частицы оксида алюминия, и затягивают их в пространство 592. Как показано стрелками на Фиг.8а, охлажденные вентиляционные газы с захваченными отходящими газами и частицами пыли делают «U-образный поворот» после пространства 590 и протекают по существу вертикально вверх через пространство 592. Из пространства 592 вентиляционные газы отводятся по трубопроводу 596 и трубопроводу 519 из внутренней зоны 516а. Трубопровод 519 может необязательно включать ряд сопел 521, через которые вентиляционные газы в верхней части 566 внутренней зоны 516а могут быть втянуты в трубопровод 519.
Следовательно, как показано на Фиг.7, 8а и 8b, охлажденные вентиляционные газы из трубопровода 518 и рециркулируемые во внутренней зоне 516а по трубопроводу 560 могут быть использованы как в целом для охлаждения внутренней зоны 516а, так и конкретно с питателем 514. Следует понимать, что в качестве альтернативы варианту реализации, изображенному на Фиг.7, 8а и 8b, можно рециркулировать охлажденные вентиляционные газы только к конкретным точкам всасывания, таким как питатель 514. Кроме того, следует понимать, что на Фиг.7 проиллюстрирован один пример того, как вентиляционные газы могут быть охлаждены и рециркулированы во внутреннюю зону 516а. Следует понимать, что приведенные здесь примеры расположений теплообменников и проточно соединенной системы трубопроводов для осуществления циркуляции вентиляционных газов, раскрытые через описания Фиг.2-6, могут быть также применены к электролизеру 504. Следовательно, электролизер 504 мог бы, в качестве альтернативы, быть снабжен только одним теплообменником, в аналогичном расположении, как и описанный выше со ссылкой на Фиг.2, 3, 5 и 6 теплообменник 52. Кроме того, охлажденные вентиляционные газы для электролизера 504 могут в качестве альтернативы быть собраны ниже по потоку относительно установки 26 обработки газов подобным описанному ранее со ссылкой на Фиг.6 образом.
Электролизер 504, изображенный на Фиг.7, 8а и 8b, в качестве дальнейшего варианта, может быть оснащен для рабочего режима обслуживания аналогичной конструкцией, как и изображенная на Фиг.5. Следовательно, в рабочем режиме обслуживания вентиляционные газы всасываются из внутренней зоны 516а по трубопроводу 519 и, одновременно, по трубопроводу 560.
Следует понимать, что в рамках объема прилагаемой формулы изобретения возможны многочисленные вариации описанных выше вариантов реализации.
Выше было описано, что охлажденные вентиляционные газы возвращают во внутреннюю зону 16а, 516а из всасывающего трубопровода 18, 518, как изображено на Фиг.2-5 и 7, или из трубопровода 34, как изображено на Фиг.6. Следует понимать, что охлажденные вентиляционные газы могут в качестве альтернативы быть возвращены во внутреннюю зону 16а, 516а из коллекторного трубопровода 20, из всасывающего трубопровода 24 или из любой другой системы трубопроводов, по которой протекают охлажденные вентиляционные газы.
Выше было описано со ссылкой на Фиг.5 и 6, что дополнительный теплообменник 372, 472 может быть установлен в трубопроводе 24 для обеспечения дополнительного охлаждения вентиляционных газов перед их поступлением в установку 26 обработки газов. Следует понимать, что один или более дополнительных теплообменников могут быть установлены в трубопроводе 24, или трубопроводе 20, или ином соответствующем трубопроводе. Это также относится и к вариантам реализации, проиллюстрированным на Фиг.1-4 и Фиг.7, 8а и 8b.
Выше было описано со ссылкой на Фиг.2-5 и 7, что вентиляционные газы из внутренней зоны 16а одного электролизера 4, 104, 204, 304, 504 для получения алюминия охлаждают, а затем возвращают во внутреннюю зону 16а того же самого электролизера. Следует понимать, что можно также рециркулировать охлажденные вентиляционные газы из внутренней зоны одного электролизера для получения алюминия во внутреннюю зону другого электролизера для получения алюминия. Можно также рециркулировать охлажденные вентиляционные газы из внутренней зоны одного электролизера в соответствующие внутренние зоны нескольких других электролизеров.
Суммируя, электролизер 4 для получения алюминия включает в себя ванну 8 с содержимым 8а, по меньшей мере один катодный электрод 10, находящийся в контакте с содержимым 8а, по меньшей мере один анодный электрод 6, находящийся в контакте с содержимым 8а, и укрытие 16, ограничивающее внутреннюю зону 16а, покрывающее по меньшей мере часть упомянутой ванны 8. Всасывающий трубопровод 18 проточно соединен с внутренней зоной 16а для удаления вентиляционных газов из внутренней зоны 16а. Электролизер 4 включает в себя по меньшей мере один теплообменник 52 для охлаждения по меньшей мере части вентиляционных газов, отведенных из внутренней зоны 16а через трубопровод 18, и по меньшей мере один обратный трубопровод 58 для циркуляции по меньшей мере части охлажденных вентиляционных газов, охлаждаемых теплообменником 52, во внутреннюю зону 16а.
Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано со ссылкой на целый ряд предпочтительных вариантов его реализации, специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть проделаны различные изменения, а его элементы могут быть заменены эквивалентными элементами без отклонения от объема изобретения. Кроме того, могут быть проделаны многочисленные модификации для адаптации конкретной ситуации или материала к положениям изобретения без отклонения от его существенного объема. Поэтому предполагается, что изобретение не ограничивается конкретными вариантами реализации, раскрытыми в качестве наилучшего варианта, предусмотренного для его осуществления, а, наоборот, изобретение включает все варианты реализации, входящие в объем прилагаемой формулы изобретения. Более того, использование терминов «первый», «второй» и т.д. не означает какой-либо порядок или важность, а скорее термины «первый», «второй» и т.д. используются для обеспечения отличия одного элемента от другого.