Устройство для дожигания анодных газов алюминиевого электролизера

Изобретение относится к устройствам для термического обезвреживания анодных газов электролизного производства алюминия. Устройство содержит горелку со щелями для подсоса воздуха и стабилизатором-смесителем. В качестве стабилизатора-смесителя внутри горелки по высоте установлены огнеупорные цилиндрические блоки с выступами на внутренней поверхности. Щели выполнены прямоугольной формы с утолщенными стенками и направлены внутрь горелки под острым углом к касательной к ее внешней поверхности. Снаружи горелки установлено поворотное кольцо с отверстиями трапецеидальной формы для регулирования расхода воздуха. В верхней части горелки герметично установлена съемная крышка, а для отвода дымовых газов установлен боковой горизонтальный патрубок. Обеспечивается повышение эффективности выгорания вредных составляющих анодных газов, стабилизация работы горелки. 1 табл., 3 ил.

 

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано при электролитическом получении алюминия в электролизерах с самообжигающимися анодами.

При электролитическом получении алюминия в электролизерах с самообжигающимися анодами образуются анодные газы, содержащие токсичные смолистые вещества и окись углерода. Обезвреживание составляющих анодных газов осуществляется в горелочных устройствах.

Известно устройство для дожигания анодных газов алюминиевого электролизера, включающее горелку со щелями, установленную на приливе газосборного колокола, и систему газоходов [авт.св. СССР №378526, М. кл. С22D 3/02, 3/12, БИ №19, 1973]. Недостатком данного устройства является низкая эффективность дожигания горючих составляющих анодных газов из-за некачественного смешения воздуха и анодных газов, а также из-за нерегулируемости соотношения газ-воздух. В этих условиях горелки разных электролизеров работают при разных коэффициентах расхода воздуха. Кроме того, известное устройство не обеспечивает стабильность горения. После технологической обработки электролизной ванны, различных случаев разгерметизации ванны в рассматриваемой щелевой горелке возможно прекращение горения, в связи с чем необходим повторный розжиг горелки.

Наиболее близким к предлагаемому по совокупности существенных признаков является устройство для дожигания анодных газов алюминиевого электролизера, включающее установленную на приливе газосборного колокола горелку со щелями, конусным стабилизатором-смесителем и систему газоходов [патент RU №2103416, М. кл. С25С 3/22, БИ №3, 1998]. Наличие конуса стабилизатора-смесителя позволяет улучшить смешение воздуха и анодного газа. Обладая теплоаккумулирующей способностью, конус стабилизирует процесс горения, поджигает газовоздушную смесь после устранения причин разгерметизации ванны.

Однако периферийные слои газа и воздуха перемешиваются недостаточно интенсивно, т.к. щели для подсоса воздуха направлены внутрь горелки под углом к касательной к поверхности горелки, равным 90°, что не способствует закручиванию газовоздушного потока, интенсифицирующего смешение газа и воздуха. В горелке не регулируется соотношение газ-воздух, вследствие чего выгорание горючих компонентов анодного газа недостаточно полное. Горелка имеет большие теплопотери с боковой поверхности, вследствие чего снижается температурный уровень внутри горелки. Последнее отрицательно сказывается на термическом обезвреживании токсичных составляющих смолистых веществ. Кроме того, установка конуса на выступах корпуса горелки недостаточно надежна, а операция его замены очень трудоемка.

В основу изобретения поставлена задача создать устройство для дожигания анодных газов алюминиевого электролизера, позволяющее повысить эффективность выгорания вредных составляющих анодных газов.

Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в устройстве для дожигания анодных газов алюминиевого электролизера, включающем горелку со щелями для подсоса воздуха и стабилизатором-смесителем, установленную на приливе газосборного колокола, и систему газоходов, в качестве стабилизатора-смесителя использованы огнеупорные цилиндрические блоки с выступами на внутренней поверхности, установленные внутри горелки, щели для подсоса воздуха выполнены прямоугольной формы с утолщенными стенками и направлены внутрь горелки под острым углом к касательной к ее внешней поверхности, а снаружи горелки установлено поворотное кольцо с отверстиями трапецеидальной формы для регулирования расхода воздуха.

Эффективность выгорания вредных компонентов анодного газа зависит от качества смешения газа и воздуха. В заявленном устройстве применен подвод воздуха в горелку под острым углом к касательной к ее внешней поверхности, интенсифицирующий закручивание газовоздушного потока и процесс смешения. Направленный подвод воздуха наиболее просто можно осуществить с помощью отверстий прямоугольной формы с утолщенными стенками.

Качество, то есть равномерность смешения газового и воздушного потоков, оценивали при различном направлении воздушных отверстий относительно касательной к внешней поверхности горелки путем моделирования камеры горения на "горячем" стенде. Поток газа моделировали нагретым воздухом. Температуру газовоздушной смеси измеряли в сечении камеры с помощью тонких малоинерционных хромель-алюмелевых термопар. Наименьший перепад температур по сечению газовоздушного потока характеризовал лучшие условия смешения. Минимальный перепад температур по сечению газовоздушного потока в заявленном устройстве соответствовал углу поворота воздушных отверстий относительно касательной к внешней поверхности горелки, равному 60°-70°.

Эффективность выгорания вредных компонентов анодных газов зависит от температуры в зоне горения и по высоте горелки. Температура в зоне горения анодных газов зависит от количества воздуха, поступающего в горелку. При качественном смешении воздуха и анодных газов количество подсасываемого воздуха должно быть близким к стехиометрическому. В заявленном устройстве для регулирования расхода воздуха предусмотрено поворотное кольцо с отверстиями трапецеидальной формы, устанавливаемое снаружи горелки в зоне отверстий для подсоса воздуха. Трапецеидальная форма отверстий обеспечивает плавное перекрытие отверстий в горелке при повороте кольца.

Для стабилизации процесса горения и обеспечения высокого температурного уровня дымовых газов по высоте горелки за счет уменьшения теплопотерь с ее поверхности внутри горелки установлены огнеупорные цилиндрические блоки в виде колец, имеющие выступы различной формы на внутренней поверхности. Выступы позволяют активизировать процессы смешения на периферии газовоздушного потока. Огнеупорные цилиндрические блоки могут содержать каталитические вещества, например Fe₂О₃, Cr₂О₃, активизирующие окисление оксида углерода.

Наличие в верхней части горелки съемной крышки позволяет осуществлять чистку горелки и замену огнеупорных блоков.

На фиг.1 изображено устройство для дожигания анодных газов алюминиевого электролизера. Устройство для дожигания анодных газов алюминиевого электролизера включает горелку 1 со щелями 2 прямоугольной формы с утолщенными стенками, направленными под острым углом к касательной к поверхности горелки. Горелка установлена основанием на приливе газосборного колокола 3. С внешней стороны горелки установлено разъемное поворотное кольцо 4 с отверстиями 5 трапецеидальной формы для плавного регулирования расхода воздуха, выполненное из немагнитного материала, например нержавеющей стали, для обеспечения возможности его поворота. На кольцевом приливе 6 внутри корпуса горелки установлены огнеупорные цилиндрические блоки 7 с выступами 8. В верхней части горелки герметично установлена съемная крышка 9. Для отвода дымовых газов в верхней части горелочного устройства установлен горизонтальный патрубок 10, соединяющийся с системой газоходов 11.

Устройство для дожигания анодных газов алюминиевого электролизера работает следующим образом. Газы, выделяющиеся в процессе электролиза, поступают через прилив газосборного колокола 3 в горелку 1, где они смешиваются с воздухом, входящим под острым углом к касательной к ее внешней поверхности через отверстия 2 прямоугольной формы с утолщенными стенками под действием разрежения, которое поддерживается в системе газоходов 11. Расход воздуха, необходимый для полного горения анодных газов, регулируется с помощью разъемного поворотного кольца 4 с отверстиями трапецеидальной формы 5, которые при повороте кольца позволяют постепенно перекрывать отверстия для подсоса воздуха, выполненные в корпусе горелки. Газовоздушный поток турбулизируется на периферии выступами 8, что способствует его дополнительному перемешиванию. Вследствие теплоаккумулирующей способности огнеупорные цилиндрические блоки 7 стабилизируют процесс горения газовоздушной смеси.

Температура газовоздушного потока по высоте горелки изменяется незначительно благодаря внутренней теплоизоляции горелки огнеупорными цилиндрическими блоками 5, что способствует эффективному термическому обезвреживанию СО и смолистых веществ, содержащихся в анодных газах. Крупные пылевые и смолистые частицы, содержащиеся в дымовых газах, ударяются о торцевую крышку 9 и возвращаются в газовоздушный поток, что увеличивает время пребывания их в горелке и повышает эффективность их термического обезвреживания. Дымовые газы удаляются из горелки 1 в систему газоходов 11 через горизонтальный дымоотводящий патрубок 10.

Аэродинамика, температурное поле и выгорание СО смоделировано на ЭВМ. Результаты численного моделирования выгорания СО анодных газов при коэффициентах расхода воздуха α=2 и α=5, имеющих место в практике электролизного производства, расходе анодных газов 60 нм³/ч и исходном содержании в них оксида углерода 30% приведены в таблице.

Таблица
Выгорание оксида углерода анодных газов
Параметры	Прототип	Заявляемое устройство
Температура газов на выходе из горелки (°С) при α=2/ α=5	819/432	830/770
Недожег СО в продуктах горения (г/с) при α=2/ α=5	0,006/0,739	0,000005/0,000005

Результаты моделирования механики движения газовоздушных потоков (фиг.2, 3) показывают активное перемешивание газовоздушного потока по всей высоте горелки при наличии турбулизаторов, например, в виде полукольцевых выступов на ее внутренней поверхности (фиг.3) и направленного ввода воздуха через щелевые отверстия заявляемого устройства. В щелевой горелке с конусом-стабилизатором активное перемешивание газовоздушного потока происходит только возле конуса-стабилизатора в нижней части горелки (фиг.2).

Теплоизоляция горелки изнутри огнеупорными блоками, интенсивное перемешивание газовоздушного потока обеспечивают практически полное выгорание СО и повышают, в сравнении с прототипом, температуру уходящих из горелки газов в рассмотренном диапазоне коэффициентов расхода воздуха, а следовательно, и в самой горелке на 10-340°С, что способствует более высокой эффективности термического обезвреживания анодных газов.

Устройство для дожигания анодных газов алюминиевого электролизера, содержащее горелку с щелями для подсоса воздуха и стабилизатором-смесителем, установленную на приливе газосборного колокола, и систему газоходов, отличающееся тем, что стабилизатор-смеситель выполнен в виде огнеупорных цилиндрических блоков с выступами на внутренней поверхности, установленных внутри горелки, щели для подсоса воздуха выполнены прямоугольной формы с утолщенными стенками и направлены внутрь горелки под острым углом к касательной к ее внешней поверхности, а снаружи горелки установлено поворотное кольцо с отверстиями трапецеидальной формы для регулирования расхода воздуха.