РАСПРЕДЕЛЕНИЕ В ЭЛЕКТРОЛИЗЕРЕ РЕЦИРКУЛИРУЕМОГО ОТХОДЯЩЕГО ГАЗА
DISTRIBUTION IN ELECTROLYSIS UNIT OF RECIRCULATING WASTE GAS

Перекрестная ссылка на родственную заявку
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США с порядковым № 61/642555, поданной 4 мая 2012 г., которая настоящим включена сюда по ссылке во всей своей полноте.
Область изобретения
[0002] Настоящее изобретение относится к способу распределения рециркулируемых или "возвращаемых" газов для вентиляции электролизеров для производства алюминия, содержащих ванну с содержимым, по меньшей мере один катодный электрод в контакте с содержимым ванны, по меньшей мере один анодный электрод в контакте с содержимым ванны и укрытие, закрывающее по меньшей мере часть ванны.
[0003] Настоящее изобретение относится также к распределительному устройству, подходящему для распределения рециркулируемых или "возвращаемых" газов в электролизере для производства алюминия вышеуказанного типа.
Предпосылки изобретения
[0004] Алюминий часто получают способом электролиза, используя один или более электролизеров для производства алюминия. Один такой способ раскрывается в US 2009/0159434. Такие электролизеры типично содержат ванну для вмещения ее содержимого, включающего фторидсодержащие минералы поверх расплавленного алюминия. Содержимое ванны находится в контакте с катодными электродными блоками и анодными электродными блоками. Оксид алюминия (глинозем) подается в ванну с регулярными интервалами через отверстия в нескольких местах по центру электролизера и между рядами анодов.
[0005] Алюминий, получаемый таким способом, создает отходящие газы, в том числе фторид водорода, диоксид серы, диоксид углерода и т.д. Эти отходящие газы требуется удалять и утилизовать экологически безопасным образом. Кроме того, тепло, образующееся в таком процессе электролиза, требует некоторого типа контроля, чтобы избежать проблем, связанных с перегревом оборудования электролизера, находящегося вблизи ванны. Как описано в US 2009/0159434, можно использовать один или более газоотводных каналов для отведения отходящих газов и частиц пыли из некоторого числа параллельных электролизеров и для отвода выделившегося тепла от электролизеров, чтобы охладить оборудование электролизера. Для этого в газоотводных каналах с помощью устройства подачи сжатого воздуха создается всасывание. Это всасывание создает поток окружающего вентиляционного воздуха через электролизеры. Этот поток окружающего вентиляционного воздуха через электролизеры охлаждает оборудование электролизера и отводит из него образовавшиеся отходящие газы и частицы пыли. Такой поток сжатого газа создает также подходящий поток газа через электролизеры и газоотводные каналы, чтобы унести образовавшиеся отходящие газы и частицы пыли в установку газообработки.
Сущность изобретения
[0006] Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ удаления образовавшихся отходящих газов и тепла из электролизера для производства алюминия, использования теплоты от образовавшихся отходящих газов и затем рециркулирования или возвращения отходящих газов обратно в электролизер. Использование выделившегося тепла и рециркулирование отходящих газов повышает эффективность в отношении необходимых капиталовложений и текущих производственных расходов по сравнению со способом уровня техники.
[0007] Вышеуказанная задача решена способом рециркуляции или возвращения образовавшихся отходящих газов в электролизер для производства алюминия для вентилирования электролизера, тем самым снижая или устраняя объем окружающего воздуха, необходимого для охлаждения сопряженного оборудования. Способ подходит для электролизера для производства алюминия, содержащего ванну, содержимое ванны, по меньшей мере один катодный электрод в контакте с содержимым ванны, по меньшей мере один анодный электрод в контакте с содержимым ванны и укрытие, закрывающее по меньшей мере часть ванны. Обсуждаемый способ содержит: отведение газов из внутреннего пространства укрытия, закрывающего по меньшей мере часть ванны электролизера для производства алюминия, охлаждение по меньшей мере части газов, чтобы получить холодные газы, и возвращение по меньшей мере части холодных газов во внутреннее пространство укрытия, используя по меньшей мере одно распределительное устройство, расположенное для снижения утечки газа по одному или более зазорам.
[0008] Одним преимуществом вышеописанного способа является то, что объем газа, требующего очистки, значительно меньше, чем в уровне техники, так как к объему образовавшихся отходящих газов в целях их охлаждения перед очисткой не добавляются большие объемы окружающего воздуха. Равным образом, без разбавляющего эффекта больших объемов окружающего воздуха на образовавшиеся отходящие газы, газы, отводимые из укрытия для чистки, несут более высокие концентрации примесей, таких как фторид водорода, диоксид серы, диоксид углерода, частицы пыли и т.п. Газы с более высокими концентрациями примесей позволяют расположенному ниже по потоку оборудованию, такому как, например, установка газообработки, устройство удаления диоксида углерода и тому подобное, работать более эффективно. Кроме того, расположенное ниже по потоку оборудование можно спроектировать с меньшими размерами благодаря пониженным требованиям к производительности вследствие уменьшенных объемов газа, который должен проходить через него для очистки. Такое уменьшение размеров и требуемой производительности оборудования снижает необходимые капиталовложения и текущие эксплуатационные расходы на всю производственную систему.
[0009] Следующим преимуществом является то, что благодаря удалению, охлаждению и возвращению отходящих газов во внутреннее пространство укрытия с использованием по меньшей мере одного распределительного устройства, расположенного для снижения утечки из по меньшей мере одного зазора или расположенного для охлаждения некой особой "горячей точки" внутри укрытия, снижается объем окружающего воздуха, необходимого для охлаждения электролизера, или даже исчезает потребность в нем. Снижение объема или устранение потребности в использовании окружающего воздуха уменьшает количество влаги, переносимой газами в расположенное ниже по потоку оборудование, такое, например, как установка последующей газообработки. Как известно, влага сильно влияет на скорость образования твердых отложений и корки на оборудовании при контакте с газами. Таким образом, при пониженном содержании влаги в газах снижается образование отложений и корки. Снижение образования отложений, корки и осадков уменьшает риск забивки оборудования, как, например, засорение теплообменников и вентиляторов, используемых для циркуляции газа.
[0010] Еще одним преимуществом является то, что благодаря удалению, охлаждению и возвращению газов во внутреннее пространство укрытия с использованием по меньшей мере одного распределительного устройства, расположенного для снижения утечки из по меньшей мере одного зазора, можно уменьшить или даже предотвратить нежелательную утечку отходящих газов из укрытия. Это по меньшей мере одно распределительное устройство служит для возврата отходящих газов во внутреннее пространство укрытия при относительно высокой скорости. Эта относительно высокая скорость создает всасывание вокруг точек утечки из укрытия, или "зазоров", и изменяет профили давления во внутреннем пространстве укрытия. Профили давления в укрытии изменяются в результате эффективного охлаждения горячих точек возвращенными отходящими газами для более эффективной работы системы, как подробнее описывается ниже.
[0011] Согласно одному варианту осуществления 10-80% от полного количества отходящих газов, отведенных из внутреннего пространства укрытия, возвращают назад во внутреннее пространство укрытия после охлаждения по меньшей мере части этих газов, чтобы получить холодные газы. Преимуществом этого варианта осуществления является то, что укрытие и оборудование электролизера, находящееся в верхней части укрытия, в достаточной мере охлаждается холодными газами. Равным образом, достигается подходящая повышенная концентрация загрязнителей в газах перед очисткой газов в расположенном ниже по потоку оборудовании. Применение по меньшей мере одного распределительного устройства и холодных газов для охлаждения производственного оборудования снижает объем окружающего воздуха, требуемого для такого охлаждения, или устраняет потребность в нем. Еще одним преимуществом этого варианта осуществления является то, что горячие отходящие газы, отведенные для охлаждения из внутреннего пространства укрытия, обеспечивают теплообменник высококачественным теплом, которое может использоваться в других процессах системы.
[0012] Согласно другому варианту осуществления способ дополнительно включает охлаждение всего объема газов, отведенных из внутреннего пространства укрытия, посредством первого теплообменника, чтобы получить холодные газы. Часть этих холодных газов течет затем во второй теплообменник для дальнейшего охлаждения, чтобы получить более холодные газы, прежде чем по меньшей мере часть их будет возвращена во внутреннее пространство укрытия через по меньшей мере одно распределительное устройство. Преимуществом этого варианта осуществления является то, что охлаждение газов до первой температуры в первом теплообменнике коммерчески осуществимо для всего объема газов, отведенных из внутреннего пространства укрытия. Такое охлаждение газов первым теплообменником подходит для надлежащего охлаждения газов до температур, требующихся для расположенного ниже по потоку оборудования, такого, например, как установка газообработки. Дальнейшее охлаждение части холодных газов до второй, более низкой температуры с использованием второго теплообменника, чтобы получить более холодные газы, особенно полезно для газов, возвращаемых во внутреннее пространство укрытия. Таким образом, часть газов, используемая для охлаждения внутреннего пространства, эффективно охлаждается до более низкой температуры, чем температура части газов, которые текут в расположенное ниже по потоку оборудование, такое как, например, установка газообработки.
[0013] Согласно одному варианту осуществления охлаждающую среду сначала пропускают через второй теплообменник, а затем пропускают через первый теплообменник. Таким образом, часть газов, возвращаемых во внутреннее пространство укрытия, сначала охлаждается в первом теплообменнике, а затем во втором теплообменнике, тогда как охлаждающая среда сначала пропускается через второй теплообменник, а затем пропускается через первый теплообменник, то есть охлаждающая среда течет через первый и второй теплообменники в противоточном режиме по отношению к газам. Преимуществом этого варианта осуществления является то, что охлаждение газов и нагрев охлаждающей среды в противоточном режиме течения является очень эффективным.
[0014] Согласно другому варианту осуществления более холодные газы, возвращаемые во внутреннее пространство укрытия, сначала текут через установку газообработки для удаления по меньшей мере некоторой части фторида водорода, и/или диоксида серы, и/или частиц пыли, т.е. загрязнителей, присутствующих в них. Одно преимущество этого варианта осуществления состоит в том, что более холодные газы являются в таком случае сравнительно чистыми, т.е. относительно свободными от газообразных загрязнений и/или частиц пыли, что может снизить риск коррозии и истирания оборудования во внутреннем пространстве укрытия, каналах, шиберах, теплообменниках, вентиляторах и т.п. Такая очистка более холодных газов может также снизить факторы риска для здоровья, связанные с воздействием на персонал необработанных "грязных" газов.
[0015] Согласно другому варианту осуществления по меньшей мере часть более холодных газов, возвращаемых во внутреннее пространство укрытия, возвращают через по меньшей мере одно распределительное устройство, которое создает низкое давление всасывания во внутреннем пространстве укрытия в точках утечки через укрытие, типично в зазорах вокруг анодов электролизера. Преимуществом этого варианта осуществления является то, что всасывание, создаваемое в результате возврата более холодных газов в укрытие, снижает утечку газа из укрытия, потенциально снижая факторы риска для здоровья, связанные с воздействием на персонал необработанных "грязных" газов.
[0016] Согласно одному варианту осуществления по меньшей мере часть более холодных газов возвращают в верхнюю часть внутреннего пространства укрытия через по меньшей мере одно распределительное устройство. Преимуществом этого варианта осуществления является то, что снижается риск достижения избыточных температур в верхней части внутреннего пространства укрытия из-за подъема горячих газов, таким образом снижая термические нагрузки на оборудование электролизера, размещенное в верхней части внутреннего пространства укрытия.
[0017] Согласно одному варианту осуществления по меньшей мере часть частиц пыли в газах удаляют из них перед охлаждением газов в первом теплообменнике. Преимуществом этого варианта осуществления является то, что он снижает истирание и/или забивку теплообменника, или подобного охлаждающего устройства, или вентилятора такими частицами пыли.
[0018] Следующая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить электролизер для производства алюминия, который является более эффективным в отношении расходов на эксплуатацию оборудования для обработки, чем электролизер уровня техники.
[0019] Эта задача решена посредством электролизера для производства алюминия, содержащего: ванну, содержимое ванны, по меньшей мере один катодный электрод в контакте с содержимым ванны, по меньшей мере один анодный электрод в контакте с содержимым ванны, укрытие, закрывающее по меньшей мере часть ванны, внутреннее пространство, ограниченное упомянутым укрытием, по меньшей мере один всасывающий канал, проточно соединенный с внутренним пространством, для удаления газов из упомянутого внутреннего пространства, по меньшей мере один теплообменник для охлаждения по меньшей мере части газов, отведенных из упомянутого внутреннего пространства посредством всасывающего канала, чтобы получить холодные газы, по меньшей мере один обратный канал для возвращения по меньшей мере части холодных газов, охлажденных теплообменником, во внутреннее пространство укрытия, и дополнительно содержащего по меньшей мере одно распределительное устройство в гидравлическом соединении с упомянутым по меньшей мере одним обратным каналом для распределения возвращаемых холодных газов на создающей всасывание скорости в точке утечки укрытия или зазоре и изменения профиля давления во внутреннем пространстве укрытия.
[0020] Преимущество этого электролизера для производства алюминия состоит в том, что по меньшей мере часть газов охлаждается и используется повторно, а не выбрасывается и не заменяется добавлением холодного, разбавляющего, влажного, окружающего воздуха, как в оборудовании уровня техники. Таким образом, поскольку при уменьшенном объеме газа нет необходимости добавлять окружающий воздух или требуется лишь малое его добавление к образовавшимся отходящим газам в целях охлаждения, очистное оборудование работает более эффективно, и можно снизить требования к размеру оборудования и его производительности.
[0021] Согласно одному варианту осуществления вентилятор соединен с обратным каналом для циркуляции газов во внутреннее пространство укрытия. Преимуществом этого варианта осуществления является то, что достигается равномерное и контролируемое течение возвращенных холодных газов и/или более холодных газов во внутреннее пространство укрытия.
[0022] Согласно одному варианту осуществления упомянутый "по меньшей мере один теплообменник" представляет собой первый теплообменник для охлаждения газов, отведенных из внутреннего пространства укрытия, чтобы получить холодные газы, и второй теплообменник, находящийся в обратном канале, для дальнейшего охлаждения холодных газов, чтобы получить более холодные газы в целях возврата более холодных газов во внутреннее пространство укрытия. Преимуществом этого варианта осуществления является то, что охлаждение газов для возврата во внутреннее пространство можно комбинировать с охлаждением газов для очистной обработки в целях повышения эффективности.
[0023] Согласно одному варианту осуществления предусмотрена первая труба для протекания охлаждающей среды из источника охлаждающей среды во второй теплообменник, предусмотрена вторая труба для протекания охлаждающей среды из второго теплообменника в первый теплообменник и предусмотрена третья труба для протекания охлаждающей среды из первого теплообменника в приемник охлаждающей среды. Преимущество этого варианта осуществления заключается в том, что температура охлаждающей среды, выходящей из первого теплообменника, может быть относительно высокой, например, всего примерно на 10-30°C ниже, чем температура газов, отводимых из внутреннего пространства укрытия, что делает такую охлаждающую среду полезной для целей нагрева на других участках процесса.
[0024] Согласно одному варианту осуществления обратный канал является комбинированным обслуживающим и обратным каналом. Фактически, предусмотрен вентилятор возвратного газа для направления возвращаемых холодных газов и/или более холодных газов через упомянутый комбинированный обслуживающий и обратный канал во внутреннее пространство укрытия в первом режиме работы. Во втором рабочем режиме комбинированный обслуживающий и обратный канал также предназначен для транспортировки газов из внутреннего пространства укрытия наружу. Преимущество этого варианта осуществления в том, что один и тот же обратный канал можно использовать и для возвращения охлажденных газов во внутреннее пространство при нормальной работе, и для отведения газов из внутреннего пространства укрытия наружу во время ремонта и обслуживания электролизера, т.е. при добавлении расходных материалов в электролизер, замене израсходованных углеродных анодов, покрытии электролизеров регенерированным содержимым ванны и оксидом алюминия и т.д.
[0025] Дальнейшие задачи и признаки настоящего изобретения выявятся из следующего подробного описания и формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
[0026] Ниже изобретение описано более подробно с обращением к приложенным чертежам, на которых:
[0027] фигура 1 является схематическим видом сбоку в разрезе завода по производству алюминия;
[0028] фигура 2 показывает увеличенный схематический вид сбоку в разрезе электролизера для производства алюминия согласно первому варианту осуществления;
[0029] фигура 3 является схематическим видом снизу части верха укрытия, вырезанной из фигуры 2; и
[0030] фигура 4 является схематическим видом сбоку в разрезе части завода по производству алюминия с фигуры 1 согласно второму варианту осуществления.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
[0031] Фигура 1 схематически показывает завод 10 по производству алюминия. Основные компоненты завода 10 включают электролизный цех 12, в котором может размещаться некоторое число электролизеров 14 для производства алюминия. На фигуре 1 для ясности и простоты показан всего один электролизер 14 для производства алюминия, но следует понимать, что электролизный цех 12 может типично содержать от 50 до 200 электролизеров 14. Электролизер 14 для производства алюминия содержит некое число анодных электродов 16, типично от шести до тридцати анодных электродов 16, типично установленных в два параллельных ряда, идущих по длине электролизера 14 и простирающихся в содержимое 18 ванны 20. В ванне 20 также находится один или более катодных электродов 22. Процесс, протекающий в электролизере 14, может быть хорошо известным процессом Холла-Эру, в котором оксид алюминия растворяется в расплаве фторсодержащих минералов и подвергается электролизу с образованием алюминия, таким образом, электролизер 14 действует как электролизная ячейка. Порошковый оксид алюминия подается в электролизер 14 из бункера (не показан), встроенного в надстройку 26 электролизера 14. Порошковый оксид алюминия подается в ванну 20 посредством питателей 28. Каждый питатель 28 может быть снабжен подводящей трубой 30, загрузочным отверстием 32 и коркопробойником 34, предназначенным для образования отверстия в корке, которая часто образуется на поверхности 18a содержимого 18. Пример коркопробойника 34 описан в US 5045168.
[0032] Процесс электролиза, протекающий в электролизере 14, порождает большие количества теплоты, частиц пыли и отходящих газов, включая, но не ограничиваясь ими, фторид водорода, диоксид серы и диоксид углерода, т.е. загрязняющие примеси. Укрытие 36 установлено над по меньшей мере частью ванны 20 и ограничивает внутреннее пространство 36a. Всасывающий канал 38 проточно соединен с внутренним пространством 36a через верх 36b укрытия 36. Аналогичные всасывающие каналы 38 всех параллельных электролизеров 14 проточно соединены с одним коллекторным каналом 40. Вентилятор 42 вытягивает газы из коллекторного канала 40 в установку 44 газообработки. Вентилятор 42 предпочтительно находится по потоку за установкой 44 газообработки, чтобы создавать разрежение в установке 44 газообработки. Однако, в качестве альтернативы, вентилятор 42 может также находиться в коллекторном канале 40. Вентилятор 42 с помощью проточно соединенных всасывающего канала 38 и коллекторного канала 40 создает всасывание во внутреннем пространстве 36a укрытия 36. Некоторый, относительно малый объем окружающего воздуха может в результате такого всасывания засасываться во внутреннее пространство 36a, главным образом через зазоры или проемы 46 между дверцами 48 в боковых стенках, некоторые из которых были удалены на иллюстрации по фигуре 1 для ясности. Газы, выходящие из внутреннего пространства 36a через всасывающий канал 38, содержат относительно малый объем окружающего воздуха, отходящих газов и частиц пыли, создаваемых в процессе получения алюминия.
2
[0033] В установке 44 газообработки газы смешивают в контактном реакторе 50 с абсорбентом, который типично является оксидом алюминия, использующимся позднее в процессе получения алюминия. Оксид алюминия реагирует с некоторыми компонентами газов, в частности, фторидом водорода, HF, и диоксидом серы, SO. Продукты реакции в виде частиц, образовавшиеся в ходе реакции оксида алюминия с фторидом водорода и диоксидом серы, отделяют затем от газов с помощью тканевого фильтра 54. Помимо удаления фторида водорода и диоксида серы из газов в установке 44 газообработки с помощью тканевого фильтра 54 удаляется также по меньшей мере часть частиц пыли, увлеченных газами из внутреннего пространства 36a. Пример подходящей установки 44 газообработки описан более подробно в US 5885539.
[0034] Факультативно, газы, вытекающие из установки 44 газообработки, далее обрабатываются в устройстве 56 удаления диоксида серы. В устройстве 56 удаления диоксида серы удаляется большая часть диоксида серы, оставшегося в газах после обработки в установке 44 газообработки. Устройство 56 удаления диоксида серы может быть, например, скруббером с орошением морской водой, таким как описанный в US 5484535, мокрым скруббером с известняком, таким как описанный в EP 0162536, или другим подобным устройством, в котором для удаления диоксида серы из газов применяется щелочное абсорбирующее вещество.
[0035] Факультативно, газы, текущие из установки 44 газообработки или, в зависимости от конкретной ситуации, устройства 56 удаления диоксида серы, проходят через проточно подсоединенный канал 58 в устройство 60 удаления диоксида углерода, которое удаляет из газов по меньшей мере часть диоксида углерода. Устройство 60 удаления диоксида углерода может быть устройством любого типа, подходящим для удаления газообразного диоксида углерода из отходящих газов. Одним примером подходящего устройства 60 удаления диоксида углерода является устройство, задействованное для процесса с охлажденным аммиаком. В процессе с охлажденным аммиаком газы находятся в контакте, например, с раствором или суспензией карбоната аммония и/или бикарбоната аммония при низкой температуре, например от 0° до 10°C, в абсорбере 62. Раствор или суспензия избирательно поглощает газообразный диоксид углерода из газов. Таким образом, очищенные газы, содержащие в основном газообразный азот и газообразный кислород, текут из абсорбера 62 через проточно подсоединенный канал 64 отвода чистого газа и выбрасываются в атмосферу через проточно подсоединенную дымовую трубу 66. Отработавшие раствор или суспензия карбоната аммония и/или бикарбоната аммония транспортируются из абсорбера 62 в регенератор 68, в котором эти раствор или суспензия карбоната аммония и/или бикарбоната аммония нагреваются до температуры, например, 50-150°C, чтобы вызвать выделение диоксида углерода в виде концентрированного газа. Затем регенерированный раствор или суспензию карбоната аммония и/или бикарбоната аммония возвращают в абсорбер 62. Концентрированный газообразный диоксид углерода течет из регенератора 68 по проточно подсоединенному каналу 70 в установку 72 обработки газа, в которой концентрированный газообразный диоксид углерода сжимается. Сжатый концентрированный диоксид углерода можно утилизировать, например, закачивая в старые шахты, или т.п. Один пример устройства 60 удаления диоксида углерода описанного выше типа раскрыт в US 2008/0072762. Следует понимать, что могут также применяться и другие устройства удаления диоксида углерода.
[0036] Фигура 2 представляет собой увеличенный схематический вид сбоку электролизера 14 для производства алюминия. Для ясности на фигуре 2 показаны только два анодных электрода 16. Как описано выше с связи с фигурой 1, вентилятор 42 вытягивает вентиляционные газы из внутреннего пространства 36a укрытия 36 в проточно подсоединенный всасывающий канал 38. В результате всасывания, создаваемого вентилятором 42, отходящие газы, засасываемые из внутреннего пространства 36a, поступают во всасывающий канал 38.
[0037] Обратимся опять к фигуре 1, где можно видеть первый теплообменник 74, установленный в канале 38. Охлаждающая среда, которая обычно является текучей охлаждающей средой, такой как жидкость или газ, например, охлаждающей водой или охлаждающим воздухом, подается в теплообменник 74 по подающей трубе 76. Охлаждающую среду можно доставить из источника 78 охлаждающей среды, который может быть, например, окружающим воздухом, озером или морем, водяным баком системы централизованного теплоснабжения и т.д. Таким образом, теплообменник 74 может быть газожидкостным теплообменником, если охлаждающая среда является жидкостью, или газо-газовым теплообменником, если охлаждающая среда является газом. Охлаждающая среда может, например, циркулировать через теплообменник 74 в направлении, противоточном, прямоточном или поперечном по отношению к потоку проходящих через него отходящих газов. Часто предпочтительно осуществлять циркуляцию охлаждающей среды через теплообменник 74 в противотоке отходящим газам, чтобы получить наибольший теплоперенос в охлаждающую среду, прежде чем отходящие газы покинут теплообменник 74. Типично, охлаждающая среда имеет температуру от 40° до 100°C. Как альтернатива, если охлаждающая среда является воздухом помещения из электролизного цеха 12, то охлаждающая среда типично будет иметь температуру примерно на 10°C выше температуры окружающего (атмосферного) воздуха. Отходящие газы, отводимые из внутреннего пространства 36a через всасывающий канал 38, могут типично иметь температуру от 90° до 200°C, но эта температура может также доходить до 300°C или еще выше. В теплообменнике 74 отходящие газы охлаждают до температуры, типично, от 70° до 130°C, чтобы получить холодные газы. По мере охлаждения отходящих газов температура охлаждающей среды повышается, типично, до 60-110°C или даже выше. Таким образом, нагретая охлаждающая среда, имеющая температуру от 60° до 110°C или, например, даже до 270°C, выходит из теплообменника 74 по трубе 80. Охлаждающую среду, выходящую по трубе 80, можно направить в приемник 82 охлаждающей среды, например, окружающий воздух, озеро или море, водяной бак системы централизованного теплоснабжения и т.д. Тогда можно осуществлять циркуляцию нагретой охлаждающей среды на другие участки процесса и использовать там, например, в регенератор 68, описанный выше. Нагретую охлаждающую среду можно также использовать другим образом, например, для получения воды для централизованного теплоснабжения, в системах централизованного холодоснабжения, использующих горячую воду для приведения в действие абсорбционных холодильных установок, или использовать как источник тепла для опреснительных установок, как описано в патентной заявке WO 2008/113496.
[0038] Обратный канал 84 проточно соединен с теплообменником 74. Обратный канал 84 возвращает холодные газы во внутреннее пространство 36a, чтобы охладить горячие точки во внутреннем пространстве 36a и производственное оборудование в верху 36b укрытия 36. Таким образом, холодные газы циркулируют обратно во внутреннее пространство 36a по подводящим каналам 88. Подводящие каналы 88 имеют распределительные устройства 90, чтобы распределять холодные газы в горячие точки внутреннего пространства 36a и, при желании, создавать всасывание во внутреннем пространстве 36a у проемов 46. Всасывание во внутреннем пространстве 36a у проемов 46 предотвращает или снижает утечку отходящих газов из внутреннего пространства 36a, которая может быть вредна для рабочих.
[0039] Распределительные устройства 90 полезны в данном варианте осуществления для по меньшей мере двух разных целей. Как отмечено выше, одна цель заключается в том, чтобы снизить утечку газа из внутреннего пространства 36a укрытия 36 у проемов 46. Таким образом, распределительные устройства 90 полезны для снижения утечки газа из укрытия 36 без необходимости в усиленном всасывающем действии вентилятора 42. На заводах по производству алюминия уровня техники утечку газа можно снизить либо повышением всасывающего действия вентилятора, что увеличивает объем газа, требующего обработки в установке газообработки, или снижением размера проемов, через которые происходит утечка газа. Проемы, через которые происходит утечка газа, являются неизбежными из-за зазоров между крышками в укрытии и между анодными штангами и укрытием. Поэтому такие зазоры или проемы уже минимизированы, и еще больше уменьшить их сложно.
[0040] Распределительные устройства 90 снижают утечку газа благодаря совершенно новому подходу к этой проблеме. Один механизм, которым распределительные устройства 90 снижают утечку газа, состоит в том, что холодный/более холодный газ, распределяемый распределительными устройствами 90, снижает "эффект выталкивающей силы" горячего газа во внутреннем пространстве 36a укрытия 36. Эффект выталкивающей силы горячего газа связан с тем, что горячий газ является менее плотным и, следовательно, легче поднимается вверх, чем более холодный газ. Выталкивающая сила горячего газа ответственна за основные утечки газа через проемы 46 в верху 36b укрытия 36. Распределительные устройства 90 размещены во внутреннем пространстве 36a укрытия 36 так, чтобы распределить холодный/более холодный газ в верх 36b укрытия 36, тем самым создавая смесь холодного/более холодного газа с горячим газом в верху 36b укрытия 36. Это смешение приводит к более умеренному градиенту температуры по всему внутреннему пространству 36a, чем градиент температуры тогда, когда горячий газ находится в верху 36b внутреннего пространства 36a, а более плотный газ находится ниже.
[0041] Второй механизм, по которому распределительные устройства 90 снижают утечку газа, состоит в том, что холодный/более холодный газ, распределенный распределительными устройствами 90, вводится в виде высокоскоростных струй в специальных местах по отношению к проемам 46, чтобы создать локальные зоны всасывания для снижения избыточных давлений, которые вызывают утечку газа у проемов 46. Как показано на фигуре 3, распределительные устройства 90 применяются для распределения холодного/более холодного газа в виде высокоскоростных струй, текущих параллельно проемам 46, тем самым создавая локальное отсасывание газа от проемов 46, уравновешивая тем самым избыточные давления у проемов 46. С этой целью холодный/более холодный газ, распределяемый распределительными устройствами 90, поступает на скорости приблизительно 10-15 метров в секунду.
[0042] Распределительные устройства 90 также полезны в данном варианте осуществления и для другой цели, а именно для охлаждения внутреннего пространства 36a укрытия 36. Распределительные устройства 90 могут быть размещены во внутреннем пространстве 36a так, чтобы распределять холодный/более холодный газ в специальные места на надстройке 26 для снижения температур в нежелательных "горячих точках". Одна причина охлаждения нежелательных горячих точек состоит в контроле стабильности размеров надстройки 26 или в защите чувствительного оборудования, такого, как питатели 28, показанные на фигуре 1. Охлаждение электролизера 14 может быть также необходимым или желательным при использовании распределительных устройств 90, так как общей тенденцией в алюминиевой промышленности является переход на более крупные энергоемкие ванны 20, которые обычно бывают более горячими, чем применявшиеся ранее. Рано или поздно в каком-то месте может потребоваться охлаждение поверхности 18a содержимого 18 ванны 20, например, в случае температур выше 300°C.
[0043] Распределительные устройства 90 также полезны в данном варианте осуществления для еще одной цели, а именно, чтобы обеспечить дополнительный способ независимого контроля теплового баланса ванны 20. Это особенно выгодно в сочетании с модуляцией мощности, при которой подаваемую на ванну 20 мощность снижают, когда потребление мощности в сети и стоимость электричества высоки.
[0044] Дополнительные выгодные назначения распределительных устройств 90 включают обеспечение возможности снижения размера/объемной производительности сопряженной установки 44 газообработки и возможности рекуперации тепла, как отмечено выше.
[0045] Оборудование внутри электролизера 14, особенно то, что находится в верху 36b внутреннего пространства 36a, требует защиты от воздействия очень горячих газов. Чтобы достичь безотказной работы и длительного срока службы такого оборудования, температуры в верху 36b внутреннего пространства 36a предпочтительно должны быть ниже примерно 200-250°C, чтобы избежать или свести к минимуму слишком высокие тепловые нагрузки на оборудование. Кроме того, отходящие газы, образовавшиеся в процессе производства алюминия, являются горячими и стремятся собираться под верхом 36b укрытия 36. При очень высоких температурах в верху 36b повышается риск утечки таких накопившихся отходящих газов. При подаче холодных/более холодных газов через распределительные устройства 90 к верху 36b, газы в верху 36b охлаждаются. Такое охлаждение снижает риски повреждения оборудования в электролизере 14 из-за слишком высоких температур и снижает утечку скопившихся горячих отходящих газов, которые могут причинить вред сотрудникам.
[0046] Как кратко отмечалось ранее, холодные/более холодные газы, распределяемые в верх 36b по распределительным устройствам 90, служат для изменения профиля температуры и давления внутри электролизера 14. Фактически, профиль температуры и давления в рассматриваемом варианте осуществления имеет более низкие температуры (более плотное/высокое давление) в верху 36b и повышающиеся температуры (менее плотное/более низкое давление) в сторону отверстий 32 для загрузки оксида алюминия в ванну 20, как показано на фигуре 1. Такой профиль температуры и давления выгоден ввиду срока службы оборудования в электролизере 14 и значительно отличается от способов и систем уровня техники, где температуры выше в верху.
3
[0047] Холодные/более холодные газы из распределительных устройств 90 охлаждают внутреннее пространство 36a. Использование холодных/более холодных газов в целях охлаждения снижает или устраняет потребность в использовании для охлаждения окружающего воздуха помещения. Следовательно, окружающий воздух из помещения не отбирается целенаправленно во внутреннее пространство 36a через проемы 46 в той же степени, как в случае уровня техники, для охлаждения электролизеров 14. Далее, распределение по меньшей мере части отходящих газов из внутреннего пространства 36a обратно во внутреннее пространство 36a через распределительные устройства 90 в виде холодных/более холодных газов приводит к повышенной концентрации загрязнителей в этих газах, таких, как фторид водорода, диоксид серы, диоксид углерода и частицы пыли. Типично, от примерно 10% до примерно 80% всего количества отходящих газов, отведенных из внутреннего пространства 36a, снова рециркулируют во внутреннее пространство 36a после охлаждения в теплообменнике 74, чтобы получить холодные газы. Как следствие, полный поток газов, очищенных в установке 44 газообработки, снижается по сравнению со способом и системой уровня техники. Сниженный поток газов в установку 44 газообработки является преимуществом, так как тем самым предъявляются меньшие требования к производительности установки 44 газообработки, измеряемой в м/ч газов. Таким образом, снижаются как требуемые капиталовложения, так и текущие эксплуатационные расходы, связанные с установкой 44 газообработки. Другим преимуществом снижения количества окружающего воздуха помещения, отбираемого во внутреннее пространство 36a в целях его охлаждения, является уменьшение количества влаги, переносимой с газами через установку 44 газообработки. Эта влага происходит в основном из влаги в окружающем воздухе. Измеряемое в кг/ч количество влаги, переносимой через установку 44 газообработки, имеет большое влияние на образование твердых отложений и корки на компонентах установки 44 газообработки, таких, как контактные реакторы 50 и тканевые фильтры 54, при контакте с газами. Уменьшая количество влаги, переносимой через установку 44 газообработки, можно снизить расходы на техническое обслуживание и эксплуатационные расходы, связанные с образованием отложений и корки в установке 44 газообработки. Далее, факультативное устройство 60 удаления диоксида углерода также может иметь более низкую проектную мощность, учитывая сниженный поток газа, что снижает связанные с этим расходы. Установка 44 газообработки подходит для очистки газов, имеющих относительно высокие концентрации газообразного фторида водорода и газообразного диоксида серы. Более высокие концентрации таких загрязняющих газов делают процесс очистки в установке 44 газообработки более эффективным. Это справедливо также для устройства 60 удаления диоксида углерода. Устройства 60 удаления диоксида углерода полезно для обработки газов, имеющих относительно высокую концентрацию диоксида углерода, таким образом заставляя абсорбер 62 работать более эффективно.
[0048] Факультативно, во всасывающем канале 38 по потоку выше теплообменника 74 может быть размещено пылеудаляющее устройство 92. Пылеудаляющее устройство 92 может, например, быть тканевым фильтром, циклоном или аналогичным пылеудаляющим устройством, подходящим для удаления по меньшей мере части частиц пыли, увлеченных с газами, прежде чем газы поступят в теплообменник 74. Пылеудаляющее устройство 92 снижает риск забивки теплообменника 74 частицами пыли, а также снижает риск вызванного пылинками истирания в теплообменнике 74, и т.д.
[0049] Фигура 4 является схематическим видом сбоку части завода 10 по производству алюминия с фигуры 1 согласно второму варианту осуществления. Многие из признаков завода 10 по производству алюминия с фигуры 4 похожи на признаки с фигуры 1, поэтому эти признаки имеют такие же ссылочные позиции.
[0050] Обращаясь теперь к фигуре 4, всасывающий канал 38 проточно соединен с внутренним пространством 36a через укрытие 36 для отвода отходящих газов из внутреннего пространства 36a. Теплообменник 74 установлен в канале 38 сразу за укрытием 36. Охлаждающая среда, такая как охлаждающая вода или охлаждающий воздух, подается в теплообменник 74 по подающей трубе 476, чтобы охладить газы аналогичным описанному выше в связи с фигурой 1 образом. Отработавшая охлаждающая среда выходит из теплообменника 74 по трубе 80.
[0051] Согласно рассматриваемому варианту осуществления ниже по потоку за первым теплообменником 74 установлен второй теплообменник 494, находящийся в проточном соединении с обратным каналом 84. Охлаждающая среда в форме охлаждающей текучей среды, такой как, например, охлаждающая вода или охлаждающий воздух, подается из источника 78 охлаждающей среды во второй теплообменник 494 по первой трубе 480. Частично отработавшая охлаждающая среда выходит из второго теплообменника 494 и подается в первый теплообменник 74 по подводящей трубе 476. Отработавшая охлаждающая среда выходит из первого теплообменника 74 по трубе 80. Труба 80 проточно соединена с приемником 82 охлаждающей среды, например, атмосферным воздухом, озером или морем, водяным баком системы централизованного теплоснабжения и т.д.
[0052] Обратный канал 84, проточно соединенный со вторым теплообменником 494, проточно соединен также с подводящим каналом 88. Подводящий канал 88 устроен внутри внутреннего пространства 36a. Подводящий канал 88 оборудован распределительными устройствами 90 для распределения охлажденных газов во внутреннем пространстве 36a.
[0053] Таким образом, согласно варианту осуществления, показанному на фигуре 4, по меньшей мере часть газов, отведенных из внутреннего пространства 36a, охлаждается и рециркулируется обратно во внутреннее пространство 36a. Охлажденные газы охлаждаются на по меньшей мере одной из двух ступеней. Сначала в первом теплообменнике 74 охлаждается по меньшей мере часть газов, отведенных из внутреннего пространства 36a. Часть охлажденных газов из первого теплообменника 74 можно необязательно транспортировать к установке 44 газообработки по каналу 440 без дальнейшего охлаждения. По меньшей мере часть охлажденных газов из первого теплообменника 74 транспортируется во второй теплообменник 494 по каналу 484. Второй теплообменник 494 дополнительно охлаждает охлажденные газы из первого теплообменника 74. Затем эти дополнительно охлажденные газы текут из второго теплообменника 494 по обратному каналу 84. Типично охлаждающая среда, подаваемая по трубе 480 во второй теплообменник 494, может иметь температуру от примерно 40° до примерно 80°C. Частично отработавшая охлаждающая среда, которая выходит из второго теплообменника 494 по трубе 476, может типично иметь температуру от примерно 60° до примерно 100°C. Отработавшая охлаждающая среда, которая выходит из первого теплообменника 74 по трубе 80, может типично иметь температуру от примерно 80° до примерно 180°C, или даже целых 270°C, или еще выше. Отходящие газы, отведенные из внутреннего пространства 36a по всасывающему каналу 38, типично имеют температуру от примерно 90° до примерно 200°C или еще выше. В первом теплообменнике 74 газы охлаждаются до температуры типично от примерно 70° до примерно 130°C, т.е. это холодные газы. Газы, рециркулируемые по подводящему каналу 88 во внутреннее пространство 36a, типично охлаждаются дополнительно во втором теплообменнике 494 до температуры типично от примерно 50° до примерно 110°C, т.е. это более холодные газы. Как альтернатива по выбору, холодные газы и/или более холодные газы могут циркулировать через установку 44 газообработки, чтобы удалить по меньшей мере часть фторида водорода или других загрязняющих примесей из газов, перед их циркуляцией или возвратом во внутреннее пространство 36a.
[0054] По сравнению с электролизером 14, описанным выше в связи с фигурой 1, в электролизере 414 повышен теплоперенос к охлаждающей среде, поскольку теплообменники 74, 494 размещены последовательно по отношению к потоку охлаждающей среды и потоку газа, и охлаждающая среда и подлежащий охлаждению газ текут противотоком друг другу. Усиленный теплоперенос к охлаждающей среде увеличивает ценность охлаждающей среды. Кроме того, охлажденные газы охлаждаются до более низкой температуры по сравнению с вариантом осуществления, описанным выше в связи с фигурой 1. Циркуляция и использование охлажденных газов, а не использование добавляемого, разбавляющего, окружающего воздуха, ведет к меньшему объемному потоку газов на очистку в установке 44 газообработки и устройстве 60 удаления диоксида углерода, что снижает требования к производительности оборудования и ведет к меньшим капитальным затратам.
[0055] В качестве альтернативы размещению двух теплообменников 74, 494 последовательно относительно потока охлаждающей среды и охлажденных газов, два теплообменника, 74, 494, могли бы работать независимо друг от друга по отношению к охлаждающей среде. Каждый теплообменник может даже работать с охлаждающей средой разного типа.
[0056] Резюмируя, электролизер 14 для производства алюминия содержит ванну 20 с содержимым 18, по меньшей мере один катодный электрод 22 в контакте с содержимым 18, по меньшей мере один анодный электрод 16 в контакте с содержимым 18 и укрытие 36, ограничивающее внутреннее пространство 36a, закрывающее по меньшей мере часть упомянутой ванны 20. Всасывающий канал 38 проточно соединен с внутренним пространством 36a для удаления отходящих газов из внутреннего пространства 36a. Электролизер 14 содержит по меньшей мере один теплообменник 74 для охлаждения по меньшей мере части газов, отведенных из внутреннего пространства 36a по каналу 38, и по меньшей мере один обратный канал 84 для циркуляции по меньшей мере части охлажденных газов, охлаждаемых теплообменником 74, во внутреннее пространство 36a через распределительные устройства 90.
[0057] Хотя настоящее изобретение было описано на нескольких предпочтительных вариантах осуществления, специалисты в данной области должны понимать, что могут быть внесены различные изменения, а их элементы могут быть заменены эквивалентами, не выходя за рамки изобретения. Кроме того, может быть проделано много модификаций, чтобы адаптировать конкретную ситуацию или материал к идеям изобретения, не выходя за его существенный объем. Поэтому подразумевается, что изобретение не ограничено частными вариантами осуществления, раскрытыми как наилучший вариант, предполагаемый для осуществления настоящего изобретения, но что изобретение будет включать все варианты осуществления, охватываемые объемом приложенной формулы изобретения. Более того, использование терминов «первый», «второй» и т.д. не означает какие-либо порядок или важность, а, напротив, такие термины «первый», «второй» и т.д. используются, чтобы отличить один элемент от другого.