Способ энергосбережения при производстве алюминия

Изобретение относится к способу энергосбережения при производстве алюминия. В способе теплотой анодных газов посредством испарительно-конденсационного утилизатора с вакуумным насосом, водяного экономайзера и пароперегревателя нагревают, испаряют воду и перегревают водяной пар, который направляют на производство и вращение паровой турбины совместно с генератором, который вырабатывает электрическую энергию, а отработанный пар цикла паротурбинной установки конденсируют в конденсаторе, последовательно сжимают до и после деаэратора конденсатным и питательным насосами, кроме того, с нитрозной компонентой анодных газов осуществляют синтез в комплексе по получению азотной кислоты, а также зонтом отбирают горячий воздух от поверхности электролизера, при этом частью теплоты нагревают, испаряют воду в испарительном конденсационном теплоутилизаторе при вакууме, создаваемом вакуумным насосом, перегревают пар в пароперегревателе и направляют для производства, а оставшейся частью теплоты сначала перегревают в испарителе, являющемся элементом низкотемпературного цикла, низкокипящее рабочее тело, которое вращает турбину совместно с генератором, генерирующим электрический ток, а затем конденсируют в конденсаторе и подают насосом вновь в испаритель. Техническим результатом является полезное использование тепловых выбросов и нитрозных компонентов анодных газов, а также тепловых выбросов через внешнюю поверхность электролизера. 1 ил.

 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, которая осуществляет утилизацию вторичных ресурсов при производстве алюминия.

За прототип принята схема получения алюминия путем электролиза глиноземной массы в электролизере [1], рис.130. Получение глинозема осуществляется по способу Байера. Электролизеры находятся в цеху. Бункеры с глиноземом и с анодной массой расположены в пристройках рядом с цехом. При электролизе глинозема выделяются анодные газы с температурой 900...1200°С, в которых дожигается СО до СО₂. Затем они проходят обработку в газоочистке, электрофильтре, аппарате "мокрой" очистки газов и вентиляторами удаляются через вентиляционные трубы высотой до 100 м в атмосферу. В расходной части теплового баланса потери с отходящими газами составляют 1,3%, а потери через ограждающие поверхности электролизера 41,2%. Кроме того, на нитрозную часть анодных газов приходится порядка 60%.

Тепловые потери практически в технологическом процессе полезно не используются. Окислы азота в атмосфере синтезируются до азотной кислоты согласно суммарной реакции

2N₂О₄+О₂+2H₂О=4HNO₃.

За прототип принимается патент WO 83/01631, С25С 3/22, 1983 (7 с.). Анодные газы, для уменьшения потерь теплоты в электролизере, подаются вентилятором под катод. Для регулировки температуры анодных газов предусмотрен перепуск их части вентилятором после катода на вход. Утилизация теплоты и очистка отходящих газов после электролизера осуществляется в теплообменнике и пылеуловителе. Эта теплота используется для опреснения морской или другой воды.

Однако все же имеют место большие тепловые потери через ограждающие конструкции электролизера, с анодными газами и выбросом значительного количества веществ, представляющих большую опасность для экологии окружающей среды.

Целью предлагаемого изобретения является полезное использование тепловых выбросов и нитрозных компонентов анодных газов, а также тепловых выбросов через внешнюю поверхность электролизера.

Указанная цель достигается тем, что теплом анодных газов нагревают, испаряют воду и перегревают водяной пар посредством испарительно-конденсационного утилизатора, водяного экономайзера и пароперегревателя, полученный пар направляют на производство алюминия и в паротурбинную установку совместно с генератором для выработки электрической энергии, отработанный пар цикла паротурбинной установки конденсируют в конденсаторе, последовательно сжимают до и после деаэратора конденсатным и питательным насосами, нитрозную компоненту анодных газов направляют на синтез в комплекс по получению азотной кислоты, часть тепла горячего воздуха от поверхности электролизера используют для нагрева и испарения воды в испарительном конденсационном теплоутилизаторе при вакууме и перегрева пара в пароперегревателе, направляемых на производство алюминия и технологические нужды, а остальную часть тепла горячего воздуха используют для перегрева в испарителе низкокипящего рабочего тела, вращающего турбину совместно с генератором для генерирования электрического тока, затем конденсируют низкокипящее рабочее тело в конденсаторе и подают насосом вновь в испаритель.

Заявленный способ энергосбережения при получении алюминия изображен на чертеже, где 1 - электролизер, 2 - паровая турбина, 3, 5 - генераторы, 4 - турбина, 6, 17 - пароперегреватели, 7, 15 - конденсаторы, 8, 16 - питательные насосы, 9 - испаритель, 10 - водяной экономайзер, 11, 18 - испарительно-конденсационные утилизаторы, 12 - комплекс получения азотной кислоты, 13 - деаэратор, 14 - конденсатный насос, 19, 20 - вакуумные насосы, 21, 22, 23 - вентиляторы, 24 - зонт для отбора горячего воздуха, 25 - приемный бункер глинозема, 26, 27, 28 - электрофильтры, 29 - приемный бункер анодной массы, 30 - цех по производству глинозема, 31 - вентиляционная труба.

Разработка технологии энергосбережения электролизера 1 принята на принципе невмешательства в основной технологический процесс. Тип оборудования по полезному использованию тепловыделений электролизера и рациональная тепловая схема выбирались в зависимости от температурного градиента источника тепловых потерь. Анодные газы рассматриваются после дожигания СО до СО₂. Охлаждение тепловыделений доводится до 20°С при условии, что они полезно используются в предложенной тепловой схеме.

Электролизер 1 предназначен для электролиза глиноземной массы, которая подготавливается из бокситов по способу Байера. Конструкция электролизера на схеме не рассматривается. В электролизер поступают глиноземная масса (NaAlO₂) и анодная масса на восполнение потерь графита в аноде в процессе электролиза. Периодически с помощью вакуумного насоса производят извлечение жидкого алюминия. Электролиз сопровождается образованием так называемых анодных газов. Они состоят из СО, CO₂, NO_x, H₂, СН₄. После дожигания СО до СО₂, а также сжигания Н₂ и СН₄ состав газов становится следующим: CO₂, О₂, Н₂O, NO_x. Причем температура достигает 900...1200°С, а содержание NO_x примерно составляет 60%. Помимо потерь с анодными газами имеют место значительные тепловыделения через ограждающие поверхности электролизера. По оценочным данным средняя температура внешней поверхности достигает 250...300°С.

Основными элементами паросилового цикла являются паровая турбина 2, генератор 3, конденсатор 15, конденсатный 14 и питательный 16 насосы, деаэратор 13, водяной экономайзер 10, испарительно-конденсационный утилизатор (ИКУ) 11 с вакуумным насосом 19. Подбор оборудования производится после их теплового расчета на основании исходных данных. В качестве рабочего тела используется водяной пар. ИКУ 11 (устройство не показано) охлаждает анодные газы до температуры 20...30°С. В нем вакуумным насосом 19 создается вакуум. В этом случае поступающая вода нагревается и закипает при температуре меньше 100°С. Особенностью ИКУ является то, что накипеобразные соли на теплообменных поверхностях откладываются значительно меньше и периодически удаляются из водяного объема вместе со шламообразными солями. Давление пара после ИКУ 11 определяется величиной, которая необходима для технологических нужд. Он может подаваться на производство и в деаэратор.

Комплекс по получению азотной кислоты 12 (элементы не представлены) предназначен для извлечения из анодных газов нитрозных компонентов, которые используются в процессе прямого синтеза азотной кислоты. Концентрация оксидов азота после комплекса не превышает ПДК. Удаление газов производится через электрофильтр 26 вентилятором 21 в вентиляционную трубу 31.

Тепловые выбросы через внешние конструкции электролизера имеют значительную температуру, примерно равную 200...250°С. Окружающий воздух является естественным теплоносителем. Он осуществляет отвод тепла от электролизера и удаляется через фонарь, находящийся в верхней части кровли цеха. Размещение зонта 24 над электролизером позволяет направить поток горячего воздуха для использования его теплоты на получение перегретого пара, который подается на производство, и в испаритель 9. Последний входит в состав цикла для получения электроэнергии, рабочим телом которого является низкокипящее вещество. Количество теплоты, которое направляется по каждому направлению, определяется технико-экономическим расчетом. Приоритет отдается тому варианту, который принесет наибольшую экономическую выгоду.

В блок схемы, предназначенной для получения пара, входят пароперегреватель 17, ИКУ 18 с вакуумным насосом 20, электрофильтр 27 и вентилятор 22. Получение пара осуществляется подобным образом, как и для потока анодного газа.

В цикл с низкокипящим рабочим телом входят испаритель 9, турбина 4 с генератором 5, конденсатор 7 и конденсатный насос 8. Тепловой расчет блоков для производства перегретого пара и электрической энергии необходим для подбора основного оборудования.

Пар, полученный при утилизации тепловых выбросов, направляется на выщелачивание бокситов и выпаривание маточного раствора. Эти технологические этапы входят в процесс получения глинозема по способу Байера. Электроэнергия, вырабатываемая паротурбинной установкой и циклом с низкокипящим рабочим телом, поступает на заводские шины и используется на нужды электролиза внутри предприятия.

Способ энергосбережения при производстве алюминия осуществляется следующим образом. Анодные газы после дожигания передают высокопотенциальную теплоту в пароперегревателе 6, водяном экономайзере 10 и в ИКУ 11 пароводяному теплоносителю паросилового цикла. Острый пар расширяется в паровой турбине 2 и приводит во вращение генератор 3, который вырабатывает электрическую энергию. Электрическая энергия поступает на внутренние шины распределения электроэнергии. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе 15 и конденсатным насосом 14 сливается в деаэратор 13. В ИКУ 11 поступает сырая вода, которая нагревается, испаряется при вакууме, который создает вакуумный насос 19. Пар направляется на производство и в деаэратор 13. Деаэрированная вода питательным насосом подается в водяной экономайзер, где она нагревается. В пароперегревателе вода испаряется и переходит в перегретое состояние. Цикл замкнулся.

Охлажденные до температуры окружающей среды анодные газы поступают в комплекс по получению азотной кислоты. Здесь нитрозные компоненты отделяют и прямым синтезом получают азотную кислоту. Анодные газы очищаются в электрофильтре 26 и вентилятором 21 удаляются через дымовую трубу 31 в атмосферу.

Горячий воздух отводится зонтом 24 частично в испаритель 9, а остальной через пароперегреватель 17. В испарителе 9 воздух охлаждается до 20°С. Он доводит до перегретого состояния низкокипящее рабочее тело, которое с высокой температурой и давлением расширяется до температуры, близкой к температуре окружающей среды, в турбине 4. Она вращает генератор 5, который вырабатывает электрический ток. Он поступает на заводские шины (не показано). Низкокипящее рабочее тело переходит в жидкое состояние в конденсаторе 7 и питательным насосом 8 вновь нагнетается в испаритель 9. Воздух проходит электрофильтр 28 и вентилятором 23 нагнетается в вентиляционную трубу 31.

Сырая вода в ИКУ 18 нагревается и испаряется при вакууме, который здесь создает вакуум-насос 20. Пар перегревается в пароперегревателе 17 и направляется в производство. Воздух охлаждается до 20°С, очищается в электрофильтре 27 и вентилятором 22 удаляется в вентиляционную трубу 31.

Преимущества предлагаемого способа энергосбережения при производстве алюминия:

1. По литературным данным количество утилизированной теплоты составляет: с анодными газами 1,3%, а потери теплоты через внешнее ограждение электролизера 41,2%.

2. Извлечение из анодных газов нитрозной компоненты и ее синтез до азотной кислоты позволяет производить ценный продукт и улучшить экологическое состояние окружающей среды.

Источник информации

1. Троицкий И.А., Железнов В.А. Металлургия алюминия. М., Металлургия, 1984 г., с.398.

Способ утилизации вторичных ресурсов при производстве алюминия электролитическим путем, включающий улавливание отходящих анодных газов и горячего воздуха с поверхности электролизера, их очистку, отбор тепла отходящих газов, отличающийся тем, что теплом анодных газов нагревают, испаряют воду и перегревают водяной пар посредством испарительно-конденсационного утилизатора, водяного экономайзера и пароперегревателя, полученный пар направляют на производство алюминия и в паротурбинную установку с генератором для выработки электрической энергии, отработанный пар цикла паротурбинной установки конденсируют в конденсаторе, последовательно сжимают до и после деаэратора с помощью конденсатного и питательного насосов, нитрозную компоненту анодных газов направляют на синтез в комплекс по получению азотной кислоты, часть тепла горячего воздуха с поверхности электролизера используют для нагрева и испарения воды в испарительном конденсационном теплоутилизаторе при вакууме и перегрева пара в пароперегревателе, направляемых на производство алюминия и технологические нужды, а остальную часть тепла горячего воздуха используют для перегрева в испарителе низкокипящего рабочего тела, вращающего турбину совместно с генератором для выработки электрической энергии, затем конденсируют низкокипящее рабочее тело в конденсаторе и подают насосом вновь в испаритель.