Комплексная очистка газов
Изобретение относится к способу и системе для комплексной очистки газа в процессе получения алюминия электролизом в электролитиченской ячейке. Способ включает подачу нефторированного глинозема в электролитическую ячейку, содержащую кожух, причем верхняя область кожуха представляет собой анодное устройство, при этом по меньшей мере одно из нефторированного глинозема и фторированного глинозема образует псевдоожиженный слой внутри анодного устройства, удаление газообразных фторидов из технологических газов, вырабатываемых электролитическим элементом, путем адсорбции газообразных фторидов с использованием нефторированного глинозема в псевдоожиженном слое, причем указанная адсорбция газообразных фторидов нефторированным глиноземом создает фторированный глинозем и полуочищенные технологические газы, фильтрацию твердых частиц фторидов, уносимых в полуочищенных технологических газах, причем указанная фильтрация происходит внутри анодного устройства над псевдоожиженным слоем, получение очищенных технологических газов и выпуск очищенных технологических газов из анодного устройства в открытое окружающее пространство снаружи электролитической ячейки. Раскрыта система для получения алюминия из глинозема в электролитической ячейке, содержащей кожух с анодным устройством в его верхней области, пористую поверхность внутри анодного устройства для поддержания псевдоожиженного слоя, содержащего нефторированный глинозем и фторированный глинозем, и систему вентиляции, функционально связывающую отверстие в анодном устройстве с открытым окружающим пространством снаружи электролитической ячейки и содержащую камеру сбора очищенного технологического газа, расположенную внутри анодного устройства над пористой поверхностью, и канал очищенного технологического газа. Обеспечивается уменьшение капитальных и эксплуатационных затрат для системы для получения алюминия и улучшение воздействия на окружающую среду процесса плавки с использованием системы комплексной очистки гпазов для удаления и фильтрации экологически вредных газов и твердых частиц от каждой электролитической ячейки в системе для процесса плавки. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.
Перекрестная ссылка на родственные заявки
[0001] Не предусмотрено.
Заявление об исследовании, финансируемом из федерального бюджета
[0002] Не предусмотрено.
Область техники, к которой относится изобретение
[0003] Настоящее изобретение в целом относится к системам и способам комплексной очистки газов (КОГ). Конкретнее, настоящее изобретение относится к уменьшению капитальных и эксплуатационных затрат процесса плавки и улучшению воздействия на окружающую среду процесса плавки с использованием КОГ для удаления и фильтрации экологически вредных газов и твердых частиц от каждого электролитического элемента в процессе плавки.
Уровень техники
[0004] Металлический алюминий производят промышленным способом путем электролиза плавильных сортов (или других) оксида алюминия (глинозема) в расплавленном электролите, используя хорошо известный процесс Холла-Эру. Этот процесс может быть здесь в общем назван процессом плавки. Электролит находится в сосуде, содержащем стальную оболочку, покрытую изнутри огнеупорными и изолирующими материалами, а катодный узел располагается в нижней части электролитического элемента. Угольные аноды проходят внутри вышеуказанного электролита, состоящего из жидкого криолита и расплавленного глинозема. Постоянный ток, который может достигать значений, превышающих 500 кА, протекает через аноды, электролит и катод, генерируя реакции, восстанавливающие глинозем до металлического алюминия и нагревающие электролит за счет эффекта Джоуля, до температуры приблизительно 960°С.
[0005] Выбросы от электролитического элемента состоят из нескольких газообразных и твердых компонентов, также называемых технологическими газами, такими как фторид водорода, (Fg), и твердыми частицами фтора (Fp). Механизм, связанный с получением Fg и Fp с помощью электролитического элемента, включает в себя:
i. электрохимический гидролиз источников водорода (Н), реагирующих с расплавленным электролитом (при ~960°С), с формированием газообразного фторида водорода (например, структурные гидроксильные группы (ОН) в глиноземе, измеряемые потерей массы при прокаливании (ПМП 300°С - 1000°С), водород в угольных анодах);
ii. термогидролиз источников водорода (Н), поступающих в электролитический элемент, реагирующих с электролитическими парами (~400°С), проходящими сквозь корку застывшего электролита, с образованием газообразного фторида водорода (например, слабо связанная влага на поверхности глинозема, влажность из атмосферного воздуха, поступающего внутрь электролитического элемента, и неполный обжиг (кальцинация) гиббсита в глиноземе, измеряемые потерей влаги при прокаливании (ПВП 20°С - 300°С).
iii. электролитические пары, конденсирующиеся с образованием твердых частиц фторидов; и
iv. твердые частицы, содержащие фториды, уносимые в технологических газах электролитического элемента.
[0006] Утилизация Fg и Fp является вопросом первостепенной важности для окружающей среды и снижения содержания металлов в загрязняющих веществах. Все выбросы фторидов (Fg и Fp) в окружающую среду происходят от двух основных источников; а именно, летучие выбросы, покидающие кожух электролитического элемента и систему улавливания газов, выбрасываемые посредством вентиляционного фонаря электролизного корпуса в тепловом факеле в окружающую среду, и оставшиеся выбросы фторидов, не адсорбированные глиноземом и отфильтрованные в сухой скрубберной системе инжекционного типа, выбрасываемые через выпускной трубопровод в окружающую среду. Первые, будучи основным источников выбросов, обычно на 4 порядка превышают те, что выбрасываются через трубу сухого скруббера в измерении на общую массу фторидов (Ft = Fg + Fp), выделяющихся при производстве тонны алюминия (кг Ft / т Al).
[0007] При ограничении и улавливании выбросов съемные боковые крышки способствуют периодической замене узла угольного анода и формированию системы кожуха электролитического элемента для минимизации выделения летучих (неочищенных) выбросов напрямую в электролизный корпус и окружающую среду. Эффективность сбора выбросов электролитического элемента преимущественно зависит от эффективности закрытия, определяемой как, отношение открытой площади к закрытой площади теоретически уплотненного анодного устройства электролитического элемента. Интенсивность вентиляции электролитического элемента и соответствующее разрежение, создаваемое внутри системы кожуха, важны для обеспечения эффективности улавливания выбросов. Эффективность кожуха и интенсивность вентиляции определяют утечку летучих выбросов в среду электролизного корпуса из электролитического процесса через щели в швах боковых облицовочных панелей анодного устройства, вокруг отверстий для штанги анода и на концах выпускающих створок, когда электролитический элемент закрыт или открыт для обслуживания электролитического элемента или слива металла. Интенсивность вентиляции от каждого электролитического элемента состоит в основном, из окружающего воздуха, засасываемого внутрь электролитического элемента через щели в системе кожуха для обеспечения эффективного улавливания технологических газов и загрязняющих веществ. На производительность вентиляции (размер) газоочистной системы (ГОС) сильно влияет приток окружающего воздуха, всасываемого внутрь электролитического элемента.
[0008] Полезный объем вентиляции электролитического элемента является суммой технологических газов, производимых в процессе плавки (обычно менее 1% полезного объема вентиляции) и окружающего воздуха (обычно 99% полезного объема вентиляции), поступающего внутрь электролитического элемента через щели в системе кожуха. Температура технологического газа опосредованно изменяется с потоком технологического газа, означая, что традиционные системы процесса плавки со значительно сокращенным вентиляционным потоком могут теоретически образовывать технологический газ с температурами до приблизительно 400 градусов Цельсия.
[0009] Кроме того, интенсивность выбросов фторидов из крыши электролизного корпуса значительно больше по величине, чем из отводящей трубы сухой скрубберной системы инжекционного типа, летучие (неочищенные) выбросы фторидов, выходящие в электролизный корпус и окружающую среду, также значительно холоднее, чем остаточные выбросы фторидов, выпускаемые из трубы сухой скрубберной системы инжекционного типа. Рассеивание выбросов в атмосферу для текущих метеорологических условий преимущественно обусловлено подъемной силой в факеле. В связи с этим, рассеивание более холодных летучих выбросов электролизного корпуса значительно менее эффективно, чем для остаточных (относительно более горячих) выбросов фторидов из трубы сухого скруббера.
[0010] Сухая адсорбция и хемосорбция газообразных фторидов на поверхности свежего глинозема, сопровождающаяся рециркуляцией фторированного глинозема назад в электролитический элемент, как исходного материала для процесса производства алюминия, широко распространена, как лучшая возможная техника для уменьшения выбросов фторидов из электролитического элемента. Сухая скрубберная система инжекционного типа использует двухстадийную комплексную технологию; сначала адсорбция с последующей хемосорбцией газообразного фторида водорода на поверхности плавильных сортов глинозема, а затем -разделение и фильтрация глинозема и твердых частиц перед выбрасыванием очищенных газов (включающих в себя остаточные выбросы) в окружающую среду.
[0011] Нижеследующее описание относится к фиг. 1, являющейся схематичной диаграммой, иллюстрирующей традиционную систему процесса плавки с централизованной газоочистной системой (ГОС) 1.30, использующей сухую скрубберную систему инжекционного типа за пределами электролитического элемента 1.31 и электролизного корпуса 1.19. Технологические газы от анодного устройства 1.1 каждого электролитического элемента 1.31 собираются и перемещаются в централизованную ГОС 1.30 по каналу 1.34 для технологических газов. Летучие (неочищенные) технологические газы не улавливаются в каждом анодном устройстве 1.1 обычной системой кожуха, попадая внутрь электролизного корпуса 1.19, где затем их выпускают в окружающую среду в факеле выбросов через фонарь 1.20 гравитационной вентиляции. Первичная очистка фторида водорода происходит в реакторе 1.23, где свежий глинозем 1.24 и возвращаемый фторированный глинозем 1.25 инжектируются в технологические газы из канала 1.34 технологического газа, и покидают реактор, как полуочищенный технологический газ через канал 1.35 полуочищенного газа. Смесь полуочищенного технологического газа и фторированного глинозема разделяют вторичной очисткой, используя один или более фильтр 1.26. Вторичная очистка происходит с фильтровальным кеком на внешней поверхности фильтров 1.26. Возвращаемый фторированный глинозем 1.25, инжектируемый неоднократно в свежий глинозем 1.24 со степенью инжектирования, улучшает качество контакта между технологическими газами и глиноземом, что приводит к лучшему распределению фторидов во фторированном глиноземе 1.33 и более высокой эффективности адсорбции газообразных фторидов. Возвращаемый фторированный глинозем 1.25 также обеспечивает ограниченную резервную очистную производительность в случае прерывания поступления свежего глинозема. Все-таки, желательно сократить, если не устранить, степень рециркуляции (отношение возвращаемого фторированного глинозема 1.25 к свежему глинозему 1.24), поскольку высокая степень рециркуляции, как известно, влияет на возрастание износа от трения глинозема, образования отложений, затрат энергии, износа системы и содержания пыли на фильтрах 1.26. Время контакта между глиноземом и фторидом водорода в технологических газах для первичной очистки составляет секунды. Общее среднее время контакта между глиноземом и фторидом водорода в технологических газах для первичной очистки и в полуочищенных газах для вторичной очистки, когда принимается во внимание степень рециркуляции и вторичное время реакции на поверхности фильтров 1.26, составляет один или два часа. Очищенные технологические газы 1.29 и оставшиеся фториды поступают в окружающую среду через вытяжные вентиляторы 1.28 и выпускную трубу 1.32. Фторированный глинозем 1.33 обычно хранится в резервуаре для фторированного глинозема 1.27 и затем с помощью транспортера 1.18 фторированного глинозема перемещается обратно в каждый электролитический элемент 1.31, где он хранится в резервуарах 1.21 фторированного глинозема анодного устройства, как исходный продукт для каждого электролитического элемента 1.31.
[0012] Для сухой скрубберной системы инжекционного типа несколько факторов являются наиболее важными для достижения эффективности адсорбции фторида водорода на поверхности глинозема, и равномерное распределение фторидов (Fg + Fp) во фторированном глиноземе, возвращаемом обратно в электролитические элементы, в частности:
i. качество контакта, применительно к сопротивлению диффузии между частицами газообразного фторида водорода и твердыми частицами глинозема на инжекционном участке;
ii. температура технологического газа во время адсорбционного процесса; и
iii. одинаковая масса свежего глинозема, реагирующего с одинаковой массой фторида водорода в технологических газах между всеми рабочими элементами фильтра.
[0013] В зависимости от рабочего тока электролитического элемента, теплового баланса электролитического элемента и практики обслуживания материала покрытия (поверхностного слоя), температура технологических газов, выходящих из стандартных электролитических элементов, обычно изменяется в интервале от 100°С до 140°С выше температуры окружающей среды. Вследствие этого тепловые потери от системы каналов сбора технологического газа, температура технологического газа, как правило, входящего в ГОС (без дополнительного охлаждения), находится в интервале от 85°С до 125°С выше температуры окружающей среды. Общепринятая практика для использующихся сегодня сухих скрубберов инжекционного типа - это ограничение температуры, входящего в ГОС газа, до 115°С - 125°С для повышения адсорбции фторида водорода на поверхности глинозема. Соответствующая температура фторированного глинозема, выпускаемого из обычно применяемых сухих скрубберов и хранящегося в резервуарах анодных устройств электролитических элементов, добавляемого в расплавленный электролит, обычно на 10°С - 20°С ниже температуры технологического газа, входящего в сухие скрубберы.
[0014] Кроме того, в Международной Публикации WO 2008/024931 раскрыты результаты анализа выбросов для сухой очистки инжекционного типа в процессе плавки, что подтверждает строгую взаимосвязь между количеством газообразных фторидов в выбросах очищенного технологического газа после сухой очистки инжекционного типа и температуры технологического газа, входящего в ГОС. Взаимосвязь приводит к уменьшению температуры технологического газа до процесса очистки при прямых или непрямых способах охлаждения, чтобы уменьшить газообразные фториды в выбросах очищенного технологического газа после сухой инжекционной очистки. В результате, обычно применяемые сухие инжекционные системы очистки не направлены на снижение образования фторидов в источнике в электролитическом элементе, потому что количество водорода, входящего в электролитический элемент с фторированным глиноземом, возвращаемым из сухой инжекционной системы очистки в виде свободной влаги, увеличивается при уменьшении температуры технологического таза, поступающего в процесс сухой очистки.
[0015] Электролизные линии следующего поколения будут превышать 460 электролитических элементов, увеличивая, таким образом, длину электролизного корпуса до более 1300 метров. Кроме того, для увеличения длины электролизных корпусов, сила тока электролитических элементов продолжит увеличиваться еще и выйдет далеко за пределы 500 кА. Как следствие, энергия, передаваемая технологическим газам должна и будет продолжать увеличивать температуру выбросов технологического газа, таким образом, потенциально уменьшая эффективность адсорбции газообразных фторидов на поверхности глинозема и эффективность адсорбции сухих инжекционных систем очистки, если соответствующее противодействие охлаждению газов не будет включено в конструкцию ГОС. Сухая инжекционная система очистки, использующаяся на новых электролитических элементах электролизных линий, сопровождается экономией в размерах, в результате чего возрастают размеры сухого скруббера и расстояние переноса технологических газов. Этот подход дополнительно увеличивает капитальные и эксплуатационные затраты, при незначительных дополнительных выгодах или при их отсутствии, находясь сейчас в точке убывающей доходности. Строительство больших систем ГОС (и соответствующих вспомогательных систем) в пространстве между электролизными корпусами при этом конкурирует и вступает в конфликт со строительством установки для процесса плавки, расположенной внутри электролизного корпуса. Загромождение в этой области ведет к потере эффективности и увеличивает вероятность нештатных ситуаций, несущих повышенный риск для людей, оборудования и выполнения производственного графика.
[0016] Существующие системы контроля за выбросами, расположенные снаружи электролитических элементов и электролизных корпусов, часто требуют дополнительных инвестиций для модернизации или замены не соответствующих нормативно-технической документации систем контроля окружающей среды, как части плана по постепенному увеличению производства металла. Дополнительные инвестиции, требуемые для экологической безопасности, идут в ущерб улучшению экономической перспективности проекта.
[0017] Экономия за счет расширения производства в сочетании с относительно дешевой энергией важна для таких энергоемких индустрий, увеличивает мощности самых больших алюминиевых заводов более чем один миллион тонн годовой производительности. Соблюдение требований характеристик концентрации (мкг Fg/м3) в окружающем воздухе при контакте с землей для выбросов газообразных фторидов и диоксидов серы становится значимой проблемой для таких больших производств. Современные металлургические комбинаты, работающие с годовой производительностью более чем один миллион тонн алюминия, требуют и используют дополнительное оборудование для уменьшения выбросов и системы для обеспечения соответствия действующим требованиям законодательства, часто удваивая инвестиционные и текущие затраты на системы уменьшения выбросов и, в некоторых случаях, сброса сточных вод в море.
[0018] Образование и накопление твердых серых отложений в традиционной сухой скрубберной системе инжекционного типа могут, если не будут предприняты должные меры, значительно снижать производительность ГОС по уменьшению выбросов, и, в некоторых случаях, приводить к отключению одного или более скрубберных модулей или вентиляторов для их техобслуживания. Скорость формирования отложений в глиноземе зависит от турбулентности потока, наличия фторидов и компонентов электролитической ванны, наличия частиц с размером ниже 20 микрон и наличия влаги - если что-либо из этих четырех элементов убрать или уменьшить, то образование отложений будет, соответственно, исключено или значительно сокращено.
[0019] Чистота производимого электролизом алюминия в традиционных электролитических элементах в значительной мере зависит от качества глинозема, загружаемого в электролитический элемент. Качество фторированного глинозема, в отношении примесей, зависит от примесей, собираемых из всех работающих электролитических элементов, присоединенных к системе сбора газов ГОС. На чистоту метала и его отличие в любом из электролитических элементов негативно влияет ухудшенная работа электролитических элементов, присоединенных к единой ГОС.
[0020] Эффективность работы электролитического элемента, в частности, зависит от качества глинозема, загружаемого в электролитический элемент. Качество фторированного глинозема, образованного сухой инжекционной скрубберной системой очистки, в отношении содержания мелких фракций, температуры и содержания влаги зависит от конструкции ГОС и ее рабочих параметров. Обычная сухая скрубберная система очистки инжекционного типа может негативно влиять на качество глинозема в отношении:
i. содержания мелких фракций: увеличение мелких фракций в свежем глиноземе, вследствие износа от трения включений, создаваемого перемещением материала и инжекцией (включая рециркуляцию глинозема). Увеличение мелких фракций, препятствующее растворению глинозема в расплавленном электролите, увеличивающее возможность того, что известно в отрасли, как «комкование»;
ii. температуры: относительно маленькая температура глинозема, загружаемого в электролитический элемент, по сравнению с температурой расплавленного электролита, требует дополнительной энергии для нагрева загружаемого материала;
iii. влажности: свободная влага (вода) поступающая в электролитический элемент с загружаемым глиноземом, измеряемая по потере влаги при прокаливании (ПВП) и в меньшей степени по ПМП, требует энергии для отгона влаги и приводит к тому, что известно в отрасли, как «вулканический эффект» вследствие мгновенного испарения влаги, когда глинозем загружается в криолит, который препятствует растворению глинозема.
[0021] В настоящее время, нет эффективных альтернатив (для обычных конфигураций ГОС), позволяющих уменьшить амортизационные издержки для восстановления фторидов из технологических газов электролитического элемента для такой же, или лучшей, эффективности очистки, по сравнению с той, что достигнута сейчас.
Сущность изобретения
[0022] Таким образом, настоящее изобретение отвечает вышеуказанным потребностям и устраняет один или несколько недостатков уровня техники, предлагая системы и способы для уменьшения капитальных и эксплуатационных затрат в системе для процесса плавки и совершенствования воздействия на окружающую среду в процессе плавки с использованием КОГ для удаления и фильтрации экологически вредных газов и твердых частиц от каждого электролитического элемента в системе для процесса плавки.
[0023] В одном из вариантов осуществления настоящее изобретение включает в себя способ комплексной очистки газов в процессе плавки алюминия, содержащий: i) подачу нефторированного глинозема в электролитический элемент, содержащий кожух, причем верхняя область кожуха представляет собой анодное устройство, при этом по меньшей мере одно из нефторированного глинозема и фторированного глинозема образует псевдоожиженный слой внутри анодного устройства; и) удаление газообразных фторидов из технологических газов, вырабатываемых электролитическим элементом, путем адсорбции газообразного фторида с использованием нефторированного глинозема в псевдоожиженном слое, адсорбцию газообразного фторида нефторированным глиноземом с получением фторированного глинозема и полуочищенных технологических газов; iii) фильтрацию частиц фторидов, содержащихся в полуочищенных технологических газах, данная фильтрация происходит внутри анодного устройства над псевдоожиженным слоем и производит очищенные технологические газы; и iv) выпуск очищенных технологических газов из анодного устройства в открытое окружающее пространство снаружи электролитического элемента.
[0024] В другом варианте осуществления настоящее изобретение включает в себя систему для плавки глинозема, содержащую: i) электролитический элемент, содержащий кожух, в котором верхняя область кожуха представляет собой анодное устройство; и) пористую поверхность внутри анодного устройства для поддержания псевдоожиженного слоя, состоящего из по меньшей мере одного из следующего: нефторированного глинозема и фторированного глинозема; и iii) систему вентиляции, функционально связывающую отверстие в анодном устройстве с открытым окружающим пространством снаружи электролитического элемента, причем система вентиляции содержит камеру сбора очищенного технологического газа внутри анодного устройства над пористой поверхностью, и канал очищенного технологического газа.
[0025] Дополнительные аспекты, преимущества и варианты осуществления настоящего изобретения станут очевидными специалистам в данной области техники из последующего описания различных вариантов осуществления и связанных с ними чертежей.
Краткое описание чертежей
[0026] Настоящее изобретение раскрыто ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых ссылки на одинаковые элементы даны с помощью одинаковых позиционных обозначений.
[0027] На фиг. 1 показан схематический чертеж, изображающий обычный процесс плавки с централизованной ГОС, использующий сухую очистку инжекционного типа.
[0028] На фиг. 2 показан схематический поперечный разрез электролизного корпуса и электролитического элемента системы для процесса плавки, изображающий один вариант осуществления системы КОГ, в соответствии с настоящим изобретением.
[0029] На фиг. 3 показан схематический поперечный разрез, изображающий электролитический элемент с фиг. 2, взятый по линии 3-3 загрузочного устройства свежего глинозема.
[0030] На фиг. 4 показан схематический поперечный разрез, изображающий электролитический элемент с фиг. 2, взятый по линии 4-4 пробойника-питателя фторированного глинозема.
Подробное раскрытие предпочтительных вариантов осуществления
[0031] Объект настоящего изобретения раскрыт на конкретных примерах, однако описание само по себе не ограничивает объем изобретения. Таким образом, объект настоящего изобретения можно реализовать другими способами, включая различные шаги или комбинации шагов, раскрытые в настоящей заявке, в сочетании с другими технологиями. Кроме того, хотя термин «шаг» можно использовать в настоящей заявке для описания различных элементов применяемых способов, этот термин не следует интерпретировать в качестве предполагающего какой-либо конкретный порядок между различными шагами, раскрытыми в настоящей заявке, если настоящее описание прямо не ограничивается каким-либо конкретным порядком. Хотя нижеследующее описание относится к производству для выплавки алюминия, системы и способы настоящего изобретения не ограничиваются этим и могут использоваться в других производствах и процессах для достижения аналогичных результатов.
[0032] Нижеследующее описание относится к фиг. 2-4, включая описание систем и способов улучшения эффективности и воздействия на окружающую среду в процессе плавки с использованием системы КОГ для удаления и фильтрации экологически вредных газов и твердых частиц от каждого электролитического элемента в процессе плавки. Системы и способы, раскрытые в настоящем документе, также используют систему КОГ для уменьшения выброса вредных газов, таких как выбросы фторидов, из каждого электролитического элемента с сокращением подачи водорода внутрь электролитического элемента и улучшением качества фторированного глинозема, загружаемого в тот же электролитический элемент, куда загружают материал для выплавки алюминия. В отличие от обычных систем процесса плавки с централизованной ГОС, использующих сухую очистку инжекционного типа, система КОГ выполнена внутри каждого электролитического элемента и работает при повышенных температурах, вплоть до тех, при которых химическая адсорбция газообразных фторидов на поверхности глинозема больше не обратима (приблизительно 400°С). Система КОГ, таким образом, будет уменьшать капитальные и эксплуатационные затраты систем процесса плавки и улучшать воздействие на окружающую среду в процессе плавки. В тех случаях, когда температуры и давления используются в соответствии с настоящим описанием, эти условия всего лишь показательны и не направлены на ограничение изобретения.
[0033] Обратимся к фиг. 2, схематическому поперечному разрезу электролизного корпуса и электролитическому элементу системы процесса плавки, изображающему один вариант осуществления КОГ системы, в соответствии с настоящим изобретением. Свежий (нефторированный) глинозем 2.21 с помощью транспортера 2.25 свежего глинозема доставляется непосредственно в анодное устройство 2.22 каждого электролитического элемента 2.30, где он попадает в узел подачи 2.4 свежего глинозема, раскрываемый со ссылкой на фиг. 3. Обычные бункеры анодного устройства фторированного глинозема заменены псевдоожиженным слоем 2.3, изначально содержащим свежий глинозем 2.21, и фильтрующей системой 2.5 для удаления газообразных и твердых фторидов из технологических газов. Псевдоожиженный слой 2.3 поддерживается пористой поверхностью 2.2, позволяющей газообразным и твердым фторидам технологических газов проходить сквозь нее при поддержке свежего глинозема 2.21. Специальный вытяжной вентилятор 2.12 с регулированием скорости вращения создает внутри системы кожуха анодного устройства 2.22 для каждого электролитического элемента 2.30, состоящей, главным образом, из съемных боковых крышек 2.26, достаточное разрежение для захвата очищенных технологических газов 2.6 и окружающего воздуха, всасываемого в электролитический элемент 2.30 в режимах работы как с закрытым, так и с открытым электролитическим элементом. Очищенные технологические газы 2.6 удаляются из вытяжного вентилятора 2.12 и перемещаются по специальному каналу 2.18 очищенного технологического газа в область под фонарем 2.29 гравитационной вентиляции электролизного корпуса. Относительно горячие очищенные технологические газы 2.6 затем поступают в воздухозаборник 2.13 и, таким образом, поступают через фонарь 2.29 гравитационной вентиляции электролизного корпуса в окружающую атмосферу, снаружи электролитического элемента 2.30 и электролизного корпуса 2.28 при температуре, превышающей 125°С вплоть до приблизительно 400°С. Воздухозаборник 2.13 вызывает дополнительный поток воздуха через фонарь 2.29 гравитационной вентиляции электролизного корпуса и увеличивает количество окружающего воздуха 2.19, поступающего в электролизный корпус 2.28 через различные отверстия. Факел выбросов 2.16, покидающий электролизный корпус 2.28, содержит очищенные технологические газы 2.6, окружающий воздух 2.19 и летучие (неочищенные) выбросы, покидающие электролитический элемент 2.30 через различные отверстия в нем. Таким образом, система КОГ исключает необходимость централизованной ГОС 1.30, изображенной на фиг. 1, и контейнеров 1.21 анодного устройства для фторированного глинозема в каждом электролитическом элементе 1.31.
[0034] Обратимся к фиг. 3, схематическому поперечному разрезу, изображающему электролитический элемент фиг. 2, взятый по линии 3-3 загрузочного устройства свежего глинозема. Уровень свежего глинозема 2.21, изначально находящегося в псевдоожиженном слое 2.3, поддерживается узлом подачи свежего глинозема 2.4, подающим свежий глинозем 2.21 из транспортера 2.25 свежего глинозема в псевдоожиженный слой 2.3. Эффективность системы кожуха электролитического элемента 2.30 улучшается при уменьшении открытых областей (щелей) в электролитическом элементе 2.30, через которые технологические газы 3.31 склонны выходить, как летучие выбросы 3.39. Это достигается улучшением конструкции уплотнений штанги анода 3.32, уплотнений съемных боковых крышек 3.33 и съемных боковых крышек 2.26. Таким образом, совершенствуется накопление технологических газов 3.11, производимых в процессе плавки в электролитическом элементе 2.30 и их проникновение через отверстия в корке застывшего электролита 3.35, при этом поток окружающего воздуха 3.10, всасываемого в электролитический элемент 2.30 через различные щели в нем, значительно сокращается. В результате, температура технологических газов 3.11 в электролитическом элементе 2.30 увеличивается, вызывая уменьшение количества газообразных фторидов в технологических газах 3.11. Псевдоожиженный слой 2.3 и фильтрующая система 2.5 располагаются в анодном устройстве 2.22 каждого электролитического элемента 2.30 и заменяют обычные контейнеры 1.21 фторированного глинозема анодного устройства на фиг. 1.
[0035] В типовых рабочих условиях закрытия и открытия электролитических элементов, смесь технологических газов 3.11 и окружающего воздуха 3.10, всасываемого в электролитический элемент 2.30, поднимаются через зазоры в газовой юбке 3.1 внизу анодного устройства 2.22 и через отверстия в пористой поверхности 2.2, поддерживающей псевдоожиженный слой, и газообразный фторид водорода в технологических газах 3.11, первыми адсорбируются, а затем хемосорбируются на поверхности свежего глинозема 2.21 при повышенных температурах, превышающих 125°С вплоть до тех, при которых химическая адсорбция больше не обратима (приблизительно 400°С). Фторированный глинозем и твердые фториды уносятся в полуочищенных технологических газах 3.20, выходящих из псевдоожиженного слоя 2.3, а затем фильтруются фильтрующей системой 2.5 перед попаданием в очищенный газ 2.6 через камеру 3.46 сбора очищенного технологического газа, соединенную с вытяжным вентилятором 2.12 с регулируемой скоростью вращения на фиг. 2. Система КОГ, таким образом, удаляет и фильтрует экологически вредные газы и частицы из каждого электролитического элемента 2.30 в процессе плавки, адсорбируя газообразные фториды из технологических газов 3.11 при повышенных температурах внутри каждого электролитического элемента 2.30. Это достигается путем значительного уменьшения массового потока окружающего воздуха 3.10, поступающего в каждый электролитический элемент 2.30, и создания системы КОГ в составе существующего анодного устройства 2.22 каждого электролитического элемента 2.30. Конечная температура технологического газа для уменьшенного потока возрастает до приблизительно 400°С. В результате, количество газообразного фторида в технологических газах 3.11 уменьшается, потому что источник влаги (водород), поступающий в электролитический элемент 2.30, образующий газообразный фторид путем термогидролиза, уменьшается при возрастании температуры в электролитическом элементе 2.30.
[0036] Обратимся к фиг. 4, схематическому поперечному разрезу, изображающему электролитический элемент фиг. 2, взятый по линии 4-4 пробойника-питателя фторированного глинозема. Фторированный глинозем 4.17 в псевдоожиженном слое 2.3 попадает в электролитический элемент 2.30 дозированной партией через отверстие на дне 4.20 узла 4.7 пробойника-питателя фторированного глинозема, где он в открытом положении 4.18b показан пунктирными линиями. Фторированный глинозем 4.17, таким образом, падает под действием силы тяжести в отверстие 4.16 питателя в корке застывшего электролита 3.35, созданное узлом 4.7 пробойника-питателя фторированного глинозема. В отличие от обычных процессов плавки, использующих централизованную ГОС, фторированный глинозем 4.17 не возвращается обратно в процесс очистки. Сжатый воздух 4.9 из источника 4.19 сжатого воздуха, периодически выходящий из управляемого исполнительным элементом клапана 4.8, направляется в фильтрующую систему 2.5 для очистки фильтрующей системы 2.5.
[0037] Свежий глинозем, изначально содержащийся в псевдоожиженном слое 2.3 с помощью узла 4.7 пробойника-питателя фторированного глинозема в закрытом положении 4.18а, имеет среднее время выдержки между 12 и 15 часами (в зависимости от технологии электролитического элемента) для реагирования с технологическими газами 3.11 перед тем, как фторированный глинозем 4.17 будет выпущен дозированной партией через отверстие в дне 4.20 узла 4.7 пробойника-питателя фторированного глинозема. Увеличение время выдержки и уменьшение сопротивления диффузии внутри частиц фторированного глинозема 4.17 в псевдоожиженном слое 2.3, по сравнению с обычными процессами плавки с централизованной ГОС, может значительно улучшить кинетику адсорбции газообразного фторида на поверхности свежего глинозема. Увеличенное время выдержки и качество контакта свежего глинозема и фторированного глинозема с технологическими газами 3.11 в псевдоожиженном слое 2.3 предварительно нагревает глинозем до температур, приближающихся к температуре очищенных технологических газов 2.6. В результате, слабо связанная влага на поверхности глинозема десорбируется, а остаточные гидроксильные группы (ОН) в прокаленном гиббсите вступают в реакцию и образуют пары H2O перед тем, как фторированный глинозем 4.17 попадет в расплавленный электролит 4.37, вызывая уменьшение источника влаги (водорода), доступного в электролитическом элементе 2.30, отвечающего за выделение газообразных фторидов в технологические газы 3.11.
[0038] Система КОГ, изображенная на фиг. 2-4 должна, таким образом, повысить эффективность и улучшить воздействие на окружающую среду процесса плавки за счет: i) уменьшения источника влаги (водорода), поступающего в электролитический элемент, образующий газообразный фторид посредством термогидролиза; ii) десорбции остаточных гидроксильных групп (ОН) перед тем, как фторированный глинозем попадет в расплавленный электролит, что уменьшает источник влаги (водорода), доступный в электролитическом элементе, образующем газообразные фториды посредством термического и электрохимического гидролиза; iii) уменьшения капитальных инвестиций и эксплуатационных затрат за счет сокращения и/или исключения оборудования сухой скрубберной системы инжекционного типа и соответствующего вспомогательного оборудования, вследствие комбинированного эффекта от меньшего массового потока с каждого электролитического элемента и создания очистного оборудования в анодном устройстве электролитического элемента; iv) уменьшения выделения летучих газов в окружающую среду вследствие комбинированного эффекта от улучшения эффективности кожуха и уменьшения скорости образования газообразного фторида в электролитическом элементе; v) уменьшения скорости образования серых отложений вследствие уменьшения влаги в электролитическом элементе; vi) улучшения чистоты метала вследствие устранения перемещения примесей между электролитическими элементами; vi) уменьшения влияния выбросов электролитического элемента и нагрева на персонал вследствие комбинированного эффекта от улучшения эффективности кожуха, уменьшения скорости образования газообразного фторида в каждом электролитическом элементе и увеличения вентиляции электролизного корпуса; vii) устранения потребления сжатого воздуха для очистки фильтров за счет использования газов, выходящих из узла пробойника-питателя фторированного глинозема; viii) увеличения эффективности электролитического элемента вследствие улучшения качества фторированного глинозема в отношении наличия примесей (меньшего), температуры (большей) и содержания влаги (меньшего); ix) улучшения температурных характеристик очищенного технологического газа вследствие более высоких температур технологического газа, что улучшает поглощение утилизируемого тепла и восстановление ресурсов; х) значительного увеличения времени реакции и уменьшения сопротивления диффузии внутри частиц, что уменьшает чувствительность выбросов к различиям в качестве подаваемого глинозема; xi) увеличения подъемной силы потолочного факела загрязнений электролизного корпуса, что улучшает рассеивание остаточных загрязнителей окружающей среды, в результате меньших концентраций на поверхности земли при максимальных допустимых концентрациях, при которых возможно избежать вложений в дополнительное оборудование по снижению выбросов и в системы для соблюдения требования нормативных документов, имеющих преимущественную силу; xii) значительного уменьшения загромождения площадки внутри предприятий во время строительства вследствие исключения содержащихся внутри ГОС и соответствующих систем, что уменьшает строительные риски, и xiii) предложения экономически целесообразного способа модернизации или замены неподходящих систем контроля за окружающей средой, как часть плана пошагового увеличения рабочего протекания процесса плавки алюминия для пошагового увеличения производства металла.
[0039] Хотя настоящее изобретение раскрыто в связи с конкретными предпочтительными вариантами осуществления, специалисту в данной области техники понятно, что описание не ограничивает изобретение этими вариантами осуществления. Таким образом, предполагается, что могут быть применены различные альтернативные варианты осуществления, а в раскрытые варианты осуществления могут быть внесены изменения без отступления от существа и объема настоящего изобретения, определяемых приложенной формулой изобретения и ее эквивалентами.
1. Способ комплексной очистки газов в процессе выплавки алюминия, включающий:
подачу нефторированного глинозема в электролитическую ячейку, содержащую кожух, причем верхняя область кожуха представляет собой анодное устройство, при этом по меньшей мере одно из нефторированного глинозема и фторированного глинозема образует псевдоожиженный слой внутри анодного устройства,
удаление газообразных фторидов из технологических газов, вырабатываемых электролитическим элементом, путем адсорбции газообразных фторидов с использованием нефторированного глинозема в псевдоожиженном слое, причем указанная адсорбция газообразных фторидов нефторированным глиноземом создает фторированный глинозем и полуочищенные технологические газы,
фильтрацию твердых частиц фторидов, уносимых в полуочищенных технологических газах, причем указанная фильтрация происходит внутри анодного устройства над псевдоожиженным слоем, и получение очищенных технологических газов,
выпуск очищенных технологических газов из анодного устройства в открытое окружающее пространство снаружи электролитической ячейки.
2. Способ по п. 1, в котором газообразные фториды адсорбируют нефторированным глиноземом при температуре, превышающей 125°C.
3. Способ по п. 2, в котором газообразные фториды адсорбируют нефторированным глиноземом при температуре, доходящей до приблизительно 400°C.
4. Способ по п. 1, в котором газообразные фториды адсорбируют нефторированным глиноземом в течение по меньшей мере трех часов.
5. Способ по п. 4, в котором газообразные фториды адсорбируют нефторированным глиноземом в течение периода времени, доходящего до приблизительно пятнадцати часов.
6. Способ по п. 1, в котором очищенные технологические газы выпускают в открытое окружающее пространство в факеле выбросов, содержащем очищенные технологические газы, окружающий воздух и технологические газы, покидающие электролитический элемент как летучие выбросы.
7. Способ по п. 6, в котором очищенные технологические газы в факеле выбросов выпускают в открытое окружающее пространство при температуре, превышающей 125°C.
8. Способ по п. 7, в котором очищенные технологические газы в факеле выбросов выпускают в открытое окружающее пространство при температуре, доходящей до приблизительно 400°C.
9. Способ по п. 1, в котором газообразные фториды адсорбируют, используя только нефторированный глинозем, поступающий в электролитический элемент.
10. Способ по п. 1, в котором фторированный глинозем получают только в электролитическом элементе.
11. Способ по п. 10, дополнительно содержащий получение металла из глинозема в электролитическом элементе с использованием фторированного глинозема только из электролитического элемента.
12. Способ по п. 6, дополнительно содержащий выпуск летучих выбросов из электролизного корпуса, окружающего электролитический элемент, в открытое окружающее пространство в факеле выбросов.
13. Способ по п. 12, в котором летучие выбросы выпускают через верхнее отверстие в электролизном корпусе посредством воздухозаборника для индуцирования выпуска летучих выбросов и окружающего воздуха через верхнее отверстие.
14. Система для плавки глинозема, содержащая:
электролитический элемент, содержащий кожух, причем верхняя область кожуха представляет собой анодное устройство,
пористую поверхность внутри анодного устройства для поддержания псевдоожиженного слоя, содержащего по меньшей мере одно из нефторированного глинозема и фторированного глинозема, и
систему вентиляции, функционально связывающую отверстие в анодном устройстве с открытым окружающим пространством снаружи электролитического элемента, причем система вентиляции содержит камеру сбора очищенного технологического газа, расположенную внутри анодного устройства над пористой поверхностью, и канал очищенного технологического газа.
15. Система по п. 14, дополнительно содержащая газовую юбку, расположенную внутри электролитического элемента под пористой поверхностью и содержащую множество отверстий.
16. Система по п. 14, дополнительно содержащая фильтрующую систему, расположенную внутри анодного устройства над пористой поверхностью и под камерой сбора очищенного технологического газа.
17. Система по п. 14, в которой электролитический элемент содержит пару уплотнений, расположенных вокруг каждой анодной штанги, где каждый анод проходит через кожух электролитического элемента.
18. Система по п. 14, в которой электролитический элемент содержит множество уплотнений боковых крышек, расположенных в месте присоединения каждой съемной боковой крышки к кожуху электролитического элемента.
19. Система по п. 14, в которой вентиляционная система дополнительно содержит вытяжной вентилятор очищенного технологического газа, соединяющий камеру сбора очищенного технологического газа и канал очищенного технологического газа.
20. Система по п. 19, в которой система вентиляции дополнительно содержит воздухозаборник, расположенный над каналом очищенного технологического газа.
