Устройство для сжигания анодных газов алюминиевого электролизера

Изобретение относится к производству алюминия. Устройство содержит горелку, выполненную в виде трех цилиндров - верхнего, среднего и нижнего с уступами между ними, отверстиями для подсоса воздуха, и теплообменник, состоящий из оребрения, выполненного на верхнем цилиндре, верхней и нижней воздушных коробок. Верхняя воздушная коробка установлена на оребрение и охватывает с зазором по периметру верхний и средний цилиндры. Нижняя воздушная коробка выполнена разъемной и установлена с зазором на фланце нижнего цилиндра. Воздушные коробки соединены вертикальным стояком, снабженным дроссельной заслонкой для регулирования расхода нагретого воздуха. Верхняя воздушная коробка для обеспечения ее герметичности сверху закрыта разъемной шайбой. Техническим результатом является повышение эффективности выгорания вредных составляющих анодного газа, стабилизация работы устройства. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия, а именно к устройствам для сжигания анодных газов.

Известно устройство для сжигания анодного газа алюминиевого электролизера, включающее горелку с щелями и цилиндрический теплообменник, коаксиально установленный на нижнем фланце горелки [Авторское свидетельство СССР №1102296, кл. С 25 С 3/22].

Недостатком указанного устройства является некачественное смешение анодного газа и воздуха, поскольку в устройстве реализуется только один аэродинамический эффект смешения: подача потоков воздуха и газа под прямым углом друг к другу. Кроме того, устройство не обеспечивает регулирование расхода воздуха, вследствие чего горелки разных электролизеров работают при разных коэффициентах расхода воздуха. При высоких расходах воздуха возможно снижение температуры горения газовоздушной смеси и эффективности выгорания вредных компонентов анодного газа. При низких расходах воздуха возможен недожег горючих компонентов анодного газа, реформирование углеводородных составляющих с выделением сажистого углерода, засоряющего отверстия горелки для подвода воздуха.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является устройство для сжигания анодного газа алюминиевого электролизера с двойным аэродинамическим эффектом [патент RU №2203985, кл. С 25 С 3/22]. Газогорелочное устройство выполнено в виде трех цилиндров разных размеров, позволяющих использовать несколько аэродинамических эффектов, обеспечивающих качественное смешение газа и воздуха.

Недостатком этого устройства является отсутствие конструктивных решений подогрева воздуха теплотой, теряемой поверхностью горелки. Устройство не обеспечивает также регулирование расхода воздуха, что снижает эффективность работы горелочного устройства.

Задача изобретения заключается в разработке устройства, обеспечивающего повышение эффективности выгорания вредных составляющих анодного газа за счет подогрева воздуха и регулирования его расхода.

Для решения поставленной задачи в заявляемом устройстве для сжигания анодного газа алюминиевого электролизера, включающем горелку, установленную на приливе газосборного колокола, выполненную в виде трех цилиндров - верхнего, среднего и нижнего с уступами между ними, отверстиями для подсоса воздуха и систему газоходов, для подогрева воздуха устройство снабжено теплообменником, состоящим из оребрения, выполненного на верхнем цилиндре, верхней и нижней воздушных коробок. Верхняя воздушная коробка установлена на оребрение и охватывает с зазором по периметру верхний и средний цилиндры горелки.

Устройство может быть дополнено частными отличительными признаками, направленными на достижение заявленной задачи. Нижняя воздушная коробка выполнена разъемной и установлена с зазором на фланце нижнего цилиндра горелки. Верхняя и нижняя воздушные коробки соединены вертикальным стояком, снабженным дроссельной заслонкой для регулирования расхода нагретого воздуха, поступающего в горелку через отверстия, расположенные в нижнем цилиндре. Верхняя воздушная коробка для обеспечения ее герметичности сверху закрыта разъемной шайбой.

По отношению к прототипу у предлагаемого устройства имеются следующие отличительные признаки. Горелка снабжена теплообменником, состоящим из оребрения выполненного на верхнем цилиндре, верхней и нижней воздушных коробок. Верхняя воздушная коробка установлена на оребрение и охватывает с зазором по периметру верхний и средний цилиндры горелки. Нижняя воздушная коробка выполнена разъемной и установлена с зазором на фланце нижнего цилиндра горелки.

Верхняя и нижняя воздушные коробки соединены вертикальным стояком, снабженным дроссельной заслонкой для регулирования расхода нагретого воздуха, поступающего в горелку через отверстия, расположенные в нижнем цилиндре. Верхняя воздушная коробка для обеспечения ее герметичности сверху закрыта разъемной шайбой.

В нижней части верхней воздушной коробки и среднего цилиндра горелки выполнено отверстие для визуального контроля за работой горелки и принудительного поджигания газовоздушной смеси.

Известно, что подогрев воздуха является мощным фактором повышения температуры в зоне горения анодного газа, повышения эффективности выгорания смолистых веществ и стабильности горения за счет расширения концентрационных пределов воспламенения. В заявленном устройстве подогрев воздуха осуществляется при его контакте с поверхностью горелки и теплообменника. Кроме того, воздушные коробки, охватывающие горелку, выполняют роль экранов, уменьшающих теплопотери с ее поверхности в окружающую среду, что также способствует повышению температурного уровня внутри горелки и, следовательно, стабилизации процесса горения и эффективности выгорания смолистых веществ.

Температура в зоне горения анодного газа и непрерывное самовоспламенение газовоздушной смеси зависят от количества воздуха, поступающего в горелку. Бедный по содержанию горючих компонентов анодный газ анодов, сформированных из сухой анодной массы, особенно чувствителен к недостатку или избытку воздуха. В обоих случаях возможно затухание пламени и возрастание выбросов в рабочую зону и окружающую среду вредных веществ. В заявленном устройстве для регулирования расхода воздуха предусмотрена дроссельная заслонка внутри вертикального стояка, соединяющего воздушные коробки.

Сущность изобретения поясняется чертежом. На нем представлено в разрезе устройство для сжигания анодного газа алюминиевого электролизера. Устройство для сжигания анодного газа алюминиевого электролизера включает горелку, состоящую из верхнего 1, среднего 2 и нижнего 3 цилиндров, установленную на приливе газосборного колокола 4. На верхнем цилиндре выполнено оребрение 6, на которое установлена верхняя воздушная коробка 7, соединенная вертикальным стояком 8 с нижней воздушной коробкой 9. В вертикальном стояке установлена дроссельная заслонка 10. Верхняя воздушная коробка сверху закрыта разъемной шайбой 11. В нижней части верхней воздушной коробки и среднего цилиндра горелки выполнено смотровое отверстие 12. Верхний цилиндр горелки соединен с системой газоходов 13.

Устройство работает следующим образом. Под действием разрежения, создаваемого дымососом, анодный газ через прилив газосборного колокола 4 поступает в нижний цилиндр 3 горелки и смешивается с подсасываемым через отверстия 5 нагретым воздухом. Происходит воспламенение газовоздушной смеси. При входе газовоздушного потока в средний цилиндр 2 образуется рециркуляционный поток вдоль всей боковой стенки цилиндра, стабилизирующий горение газовоздушной смеси. При рециркуляции потока горючие компоненты длительное время находятся в зоне высоких температур, что способствует более полному их окислению.

При истечении газовоздушной смеси из среднего цилиндра 2 большого диаметра в верхний цилиндр 1 меньшего диаметра происходит сужение потока на расстоянии, равном высоте среднего цилиндра. При этом происходит дополнительная турбулизация и перемешивание потока, интенсивное горение горючих компонентов. Продукты горения через выходное отверстие горелки удаляются в систему газоходов 13.

Атмосферный воздух под действием разрежения, создаваемого дымососом, поступает в кольцевой зазор между средним цилиндром 2 и верхней воздушной коробкой 7, нагревается теплотой, теряемой горелкой в окружающую среду, затем омывает поверхность верхнего цилиндра горелки 1 и оребрения 6, дополнительно нагревается и через вертикальный стояк 8 поступает в нижнюю воздушную коробку 9. Далее через отверстия 5, расположенные в нижнем цилиндре 3, нагретый воздух поступает в зону смешения и воспламенения газовоздушной смеси. Горение анодного газа визуально контролируется электролизником через смотровое отверстие 12, при этом расход нагретого воздуха регулируется дроссельной заслонкой 10.

Заявленное устройство испытано на "холодном" аэродинамическом стенде. Температурное поле и выгорание вредных компонентов смоделировано на ЭВМ. Результаты расчетов приведены в таблице.

Таблица Тепло-технологические параметры горелочных устройств
Параметры	Прототип	Заявляемое устройство
Коэффициент расхода воздуха α	1	2	4	2	2	2	2
Температура подогретого воздуха, °С	30	30	30	30	100	150	200
Температура в зоне горения, °С	903	915	905	915	932	995	1045
Содержание оксида углерода на выходе из горелки, г/нм3	0,61	0,53	0,58	0,53	0,3	0,18	0,14
Содержание смолистых веществ на. выходе из горелки, г/нм3	0,025	0,013	0,020	0,013	0,006	0,004	0,003

Из данных таблицы следует, что лучшие результаты выгорания вредных составляющих анодного газа в конструкции горелки по прототипу обеспечиваются при коэффициенте расхода воздуха α, равном двум. Поэтому все расчеты заявленного устройства выполнены при α=2. Согласно приведенным данным подогрев воздуха существенно повышает эффективность выгорания вредных составляющих анодного газа. Подогрев воздуха, например, до 200°С в сравнении с базовым вариантом (прототипом) позволяет поднять температуру в зоне горения на 130°С, уменьшить содержание СО в продуктах горения в 3,7 раза, а смолистых веществ - в 4,4 раза.

1. Устройство для сжигания анодных газов алюминиевого электролизера, содержащее горелку, установленную на приливе газосборного колокола, выполненную в виде трех цилиндров - верхнего, среднего и нижнего с уступами между ними, отверстиями для подсоса воздуха и систему газоходов, отличающееся тем, что для подогрева воздуха устройство снабжено теплообменником, состоящим из оребрения, выполненного на верхнем цилиндре, верхней и нижней воздушных коробок, причем верхняя воздушная коробка установлена на оребрение и охватывает с зазором по периметру верхний и средний цилиндры, а нижняя воздушная коробка установлена с зазором на фланце нижнего цилиндра горелки, при этом верхняя и нижняя воздушные коробки соединены вертикальным стояком для подвода нагретого воздуха в горелку через отверстия, расположенные в нижнем цилиндре.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нижняя воздушная коробка выполнена разъемной.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вертикальный стояк снабжен дроссельной заслонкой для регулирования расхода нагретого воздуха.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что верхняя воздушная коробка для обеспечения ее герметичности сверху закрыта разъемной шайбой.