Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА АНОДНЫХ ГАЗОВАЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА

Изобретение относится к цветной металлурги, в частности к производству алюминия, и направлено на повышение энергетической эффективности и сокращение потребления электроэнергии электролизером с самообжигающимся анодом.

Известно устройство для подогрева и дозированной подачи глинозема в алюминиевый электролизер, содержащее накопительный бункер в виде емкости, надетой на горелку для дожигания газов [заявка на изобретение №2000102952 от 07.02.2000, опубл. 20.11.2001].

Недостатки устройства: охлаждение горелки надетой на нее емкостью и связанное с этим снижение эффективности дожига анодных газов, сложность подачи нагретого глинозема из емкости в точки максимальной циркуляции электролита, что ухудшает растворимость глинозема в расплаве и создает риск образования осадков на подине электролизера.

Известен способ термического обезвреживания анодных газов алюминиевого электролизера, включающий направление анодных газов от газосборников нескольких электролизеров по теплоизолированным спускам в теплоизолированный газоход и их централизованный дожиг в горелке или топке с последующим направлением дымовых газов, перед их подачей в газоход, в теплообменник для утилизации тепла [патент РФ №2321687 RU от 01.03.2006, опубл. 10.04.2008].

Недостатки способа. При электролитическом производстве алюминия термическое обезвреживание анодных газов осуществляют за счет их самовоспламенения при смешивании с воздухом, подсасываемым в горелку. При этом температура газовоздушной смеси, достаточная для ее самовоспламенения, должна быть не ниже 530°С. Температура анодных газов на выходе из газосборника электролизера составляет 490-620°С, и при транспортировке в горелку или топку централизованного дожига по теплоизолированным газоходам протяженностью до 90 метров возникает риск их охлаждения до температуры, недостаточной для самовоспламенения смеси, в связи с чем возникает потребность в дополнительном устройстве розжига горелки - газовом или жидкотопливном. Утилизированное в теплообменнике тепло дымовых газов в условиях алюминиевых заводов имеет ограниченное применение. Наиболее приемлемым является использование этого тепла на нагрев воздуха, подсасываемого в зону горения, что усложняет конструкцию горелки или топки централизованного дожига.

Известен способ и устройство для предварительного нагрева сырья с помощью охладителя отходящих газов. Устройство содержит теплообменник предварительного нагрева сырья, первая сторона которого сообщается с линией транспортирования отходящих газов, а вторая сообщается с линией подачи сырья [патент РФ №2491321 RU от 18.02.2010, опубл. 27.08.2013].

Недостаток устройства - малая площадь теплопередачи между теплоносителем и нагреваемым материалом, не обеспечивающая эффективной утилизации тепла отходящих газов.

Задачей заявляемого способа и устройства является использование тепла дымовых газов электролизера с самообжигающимся анодом на нагрев глинозема и сокращение, таким образом, расхода электроэнергии на производство алюминия и энергозатрат на транспортировку анодных газов, уменьшение материалоемкости газоходной сети корпуса электролиза.

Достигается это тем, что способ утилизации тепла анодных газов алюминиевого электролизера включает сжигание анодных газов в горелочном устройстве электролизера и направление дымовых газов в теплообменник, куда противотоком в межтрубное пространство поступает глинозем, где его выдерживают, используя тепло дымовых газов, в течение 10-12 часов для нагрева до температуры 200-250°C, после чего цикл повторяют.

Устройство утилизации тепла анодных газов алюминиевого электролизера содержит теплообменник, который установлен между двумя смежными электролизерами, выполнен наклонным по отношению к ним и состоит из 40-50 труб наружным диаметром 50 мм, через которые дымовые газы непосредственно отдают тепло глинозему, при этом наружный диаметр теплообменника составляет 800±50 мм, площадь теплообмена 15-20 м², кроме того, теплообменник снабжен отводящими наклонными трубопроводами для подачи глинозема в электролизер.

Целесообразность установки теплообменника между двумя смежными электролизерами и подачи из него нагретого глинозема в смежные электролизеры обосновывается тем, что в этом случае происходит сокращение количества эксплуатируемых бункеров системы автоматического питания электролизера (системы АПГ), уменьшение нагрузки на домкраты анодной рамы и улучшение условий формирования самообжигающегося анода. В настоящее время питание электролизера глиноземом осуществляется четырьмя бункерами, размещенными на анодном кожухе, по два с каждой продольной стороны электролизера. Установка теплообменника, использующего в качестве бункера системы АПГ, между двумя смежными электролизерами позволит уменьшить их количество практически в 2 раза - в масштабе корпуса электролиза, эксплуатирующего 88 электролизеров, с 352 до 192 единиц. При этом нагрузка на домкраты анодной рамы снизится на 6-8 тонн, а удельное потребление электроэнергии приводами домкратов анодной рамы - на 2,0-2,5 кВт·ч/тАl. Также удаление бункеров системы АПГ увеличит отвод тепла от анодного кожуха, что улучшит условия формирования самообжигающегося анода, исключит образование в нем «шеек» и протеки жидкого пека в подколокольное пространство, что улучшит экологические показатели производства алюминия.

Подача глинозема в межтрубное пространство теплообменника обосновывается необходимостью его загрузки в объеме, достаточном для питания смежных электролизеров в течение 10-12 часов, - времени, достаточного для нагрева глинозема до целевых температур 200-250°C. Наружный диаметр теплообменника 800±50 мм обеспечивает около 1 м³ свободного объем межтрубного пространства, что достаточно для загрузки 1,5-1,7 т глинозема, необходимых для питания смежных электролизеров в течение 10-12 часов.

Направление дымовых газов в трубы теплообменника обеспечивает эффективную отдачу от них тепла нагреваемому глинозему.

Время выдержки глинозема в теплообменнике в течение 10-12 часов обусловлено тем, что в этот период от электролизера с дымовыми газами в систему газоотсоса уносится 750-900 кДж тепла, достаточного для нагрева до температуры 200-250°C 1,2-1,5 тонн глинозема, требующихся для питания смежных электролизеров в течение 10-12 часов.

Площадь теплообмена 15-20 м² определяется тепловым потоком, создаваемым теплом дымовых газов.

Количество, диаметр и длина труб выбраны из соображений обеспечения необходимой площади теплообмена, равной 15-20 м².

Наклон теплообменника и отводящих труб равным 35-40° обеспечивает оптимальную подачу глинозема. Уменьшение угла наклона теплообменника и труб по отношению к горизонту менее 45° создает риск их закупоривания глиноземом. Превышение угла наклона труб более 50° потребует установки теплообменника на высоте, затрудняющей его загрузку глиноземом специальной обрабатывающей техникой.

Способ и устройство для утилизации тепла анодных газов иллюстрируются графически. Анодные газы от электролизера 1 собираются газосборным колоколом 2 и направляются на дожиг в горелочное устройство 3. Из горелочного устройства горячие дымовые газы, температура которых составляет 500-600°C, по газоотводящему патрубку 4 направляются в трубы 5 теплообменника 6, где они охлаждаются до 80-100°C. В межтрубном пространстве теплообменника, противотоком по отношению к движению газов, движется глинозем, нагреваясь до температуры 200-250°C, используя тепло дымовых газов, где его выдерживают в течение 10-12 часов. Порции нагретого таким образом глинозема, по 1,5-2,0 кг каждая, по наклонным трубам 7 самотеком поступают в электролизер, где его погружение в расплав осуществляется с помощью пробойника 8 системы АПГ.

Преимущества заявляемого способа и устройства для его осуществления: нагрев глинозема до 200-250°C уменьшает удельный расход электроэнергии на 80-95 кВт·ч/тАl, охлаждение анодных газов с 500-600°C до 80-100°C снижает объем эвакуируемых газов в 2-2,5 раза, удельные энергозатраты на их транспортировку - на 15-20 кВт·ч/тАl, снижение материалоемкости газоходной сети корпуса электролиза на 12-15 т, сокращение количества бункеров почти в 2 раза, снижение нагрузки на домкраты анодной рамы на 6-8 т и потребление электроэнергии их приводами на 2,0-2,5 кВт·ч/тАl, обеспечение более благоприятных условий формирования самообжигающегося анода, сокращение протеков пека в подколокольное пространство и улучшение экологических показателей производства алюминия в электролизерах с самообжигающимся анодом, снижение интенсивности эксплуатации дизельных машин загрузки глинозема в бункеры систем АПГ. В общей сложности реализация заявляемого способа обеспечивает сокращение удельного расхода электроэнергии на производство каждой тонны алюминия на 100-120 кВт·ч.