Результат интеллектуальной деятельности: Горелка для дожигания анодных газов алюминиевого электролизера

Заявляемое устройство относится к цветной металлургии, а именно, к электролитическому получению алюминия в электролизерах с самообжигающимся анодом, и предназначено для сжигания анодных газов, образующихся в процессе электролиза.

Известно горелочное устройство с интенсивным смешиванием компонентов, оборудованное в верхней части камеры сгорания завихрителем [патент РФ №2456380, опубл. 20.07.2012].

Недостаток известного горелочного устройства заключается в том, что завихритель расположен в верхней части камеры сгорания, где расположен и патрубок отвода продуктов сгорания анодных газов в систему газоудаления, что несколько снижает эффективность использования топочного пространства горелки, а также тот факт, что замена завихрителя возможна лишь при замене горелки, вне работающего электролизера.

Известна горелка, используемая для изучения газообразных загрязнителей, выбрасываемых при сжигании углеводородов, в нижней секции содержащая первичную зону реакции (горения), представляющую собой набор плотно соединенных между собой параллельных трубок из нержавеющей стали [N. Kastelis, Efthimios Zerves. Analysis of flat burners used to study gaseous pollutants emitted from combustion of hydrocarbons. 2^nd International Conference on WASTE MANAGEMENT, WATER POLLUTION, AIR POLLUTION, INDOOR CLIMATE (WWAI'08). 2008, 251-256.]. Данный источник взят за прототип.

Недостатком известной горелки является неэффективное использование ее топочного пространства вследствие наличия в верхней секции горелки области без реакции, занимающей значительный объем горелки.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности сжигания анодных газов, образующихся в процессе электролиза.

Достигается это тем, что заявляемая горелка разделена на две части - нижнюю, включающую зону предварительного смешивания сжигаемых анодных газов с воздухом и первичную зону горения, представляющую собой блок стальных трубок, и верхнюю часть, где происходит интенсивное смешивание и окончательный дожиг анодных газов, при этом отношение диаметра d верхней части горелки к диаметру d₁ ее нижней части составляет d:d₁=1,4÷1,6:1, а отношение высоты Н верхней части горелки к высоте h ее нижней части составляет Н:h=2,0÷2,5=1, при этом стальные трубки в блоке по отношению к горизонтали размещены под углом 60÷70°, а отношение диаметра d₁ нижней части горелки к диаметру d₂ стальных трубок составляет d₁:d₂=4÷5:1, при на уровне верхней части блока стальных трубок расположен фланец, отношение диаметра d₃ которого к диаметру d₁ нижней части горелки составляет d₃:d₁=1,05÷1,1:1, при этом отношение высоты h₁ камеры, в которой расположен блок стальных трубок, к высоте h₂ блока составляет h₁:h₂=1,02÷1,05:1, а отношение ширины b камеры размещения наклонных трубок к диаметру d₁ нижней части горелки составляет b:d₁=1,02÷1,05:1.

Разделение горелки на две части обеспечивает возможность создания в ней двух зон горения - ламинарного в трубках и турбулентного в зоне интенсивного перемешивания, расположенной в верхней части горелки.

Наличие в нижней части горелки блока наклонных трубок обеспечивает равномерное распределение сжигаемой газовой смеси и ее интенсивное перемешивание по всему объему топочного пространства верхней части горелки.

Превышение диаметра d верхней части горелки диаметра d₁ нижней ее части в 1,4÷1,6 раз и высоты Н верхней части горелки высоты h нижней ее части в 2,0÷2,5 раз обеспечивает уравновешивание колебаний давления в нижней и верхней частях горелки, вызванных разностью интенсивности горения и температур в этих зонах, а также большее время пребывания сжигаемых анодных газов в верхней части горелки, где температуры горения максимальны.

Целесообразность превышения высоты верхней части горелки над нижней частью обосновывается следующим. Согласно требованиям безопасности общая высота горелки не должна превышать роста обслуживающего ее оператора, т.е. 1,7÷1,8 м. Как правило, высота нижней части оборудованной воздухозаборными щелями взятой за аналог горелки составляет порядка 0,25 м. Двухкратное увеличение высоты нижней части заявляемой горелки обеспечит общую высоту горелки, отвечающую требованиям безопасности (порядка 1,75 м).

Размещение стальных трубок в блоке под углом 60÷70° по отношению к горизонтали обеспечивает создание закрученного газового потока и его интенсивное перемешивание на входе в верхнюю часть горелки. Таким образом, горение происходит во всем объеме верхней части и топочное пространство используется более эффективно.

Диаметр d₂ стальных трубок, в 4÷5 раз меньший диаметра d₁ нижней части горелки обоснован следующим. Как правило, на практике диаметр посадочного патрубка горелки на газосборный колокол электролизера и ее (горелки) нижней части составляет ~0,2 м, а площадь поперечного сечения 0,0312 м². Диаметр d₂ стальных трубок, в 4÷5 раз меньший диаметра d₁ нижней секции горелки составит 40÷50 мм, а площадь поперечного сечения каждой трубки 0,00125÷0,00196 м². Таким образом в блоке, возможно разместить от 10 до 15 трубок, которые обеспечат беспрепятственный отвод сжигаемых анодных газов из зоны предварительного смешивания и первичной зоны реакции (горения) в верхнюю часть где происходит окончательное сгорание анодных газов, а 10÷15 струй, каждая из которых наклонена под углом 60÷70° по отношению к горизонтали, обеспечивают интенсивное закручивание потока на входе в верхнюю часть горелки.

Превышение ширины b и высоты h₁ камеры размещения блока наклонных трубок диаметра d₁ нижней части горелки и высоты h₂ блока в 1,02÷1,05 раза обеспечивает компенсацию термического расширения блока, температура которого при замене равна температуре окружающей среды, что существенно ниже температуры камеры эксплуатируемой горелки.

Наличие фланца на уровне верхней плоскости блока стальных трубок, диаметр которого в 1,05÷1,1 превышает диаметр собственно блока, обеспечивает простоту крепления последнего в специально предназначенной для этого камере путем установки фланца на уровне верхней части блока стальных трубок.

Заявляемое устройство поясняется графически. На Фиг. 1 изображен общий вид горелки, на фиг. 2 - разрез А-А фиг. 1, на фиг. 3 - разрез Б-Б фиг. 2, где: 1 - нижняя часть горелки; 2 - воздухозаборные щели горелки; 3 - блок наклонных трубок; 4 - камера размещения блока наклонных трубок; 5 - верхняя часть горелки, 6 - фланец крепления блока наклонных трубок в камере.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Анодные газы, поступающие из-под газосборного колокола (на фиг. не показан), после смешивания с воздухом, поступающим в нижнюю часть горелки 1 через воздухозаборные щели 2, попадают в блок наклонных трубок 3, размещенных в камере 4. В блоке наклонных трубок происходит воспламенение сжигаемых анодных газов и их первичное сжигание. На входе в верхнюю часть 5 горелки газовый поток, за счет наклонных трубок, приобретает вращательное движение, что исключает образование застойных областей в зоне горения и происходит окончательный дожиг анодных газов. Устройство повышает эффективность сжигания анодных газов, образующихся в процессе электролиза.