Результат интеллектуальной деятельности: ГАЗОСБОРНИК АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к производству алюминия электролитическим способом и служит для улавливания и термического обезвреживания анодных газов от алюминиевых электролизеров с самообжигающимися анодами.

Известно устройство для сбора и удаления газов из алюминиевого электролизера Содерберга [Патент RU №2443804, МПК C25C 3/22, опубл. 27.02.2012 г.], содержащее газосборный колокол (ГСК), навешенный по периметру анодного кожуха и соединенный с газоходами системы централизованного газоудаления. На продольных сторонах газосборного колокола диагонально ассиметрично установлены не менее двух патрубков, соединенных трубопроводами между собой и газоходами системы централизованного газоудаления. Один из патрубков расположен в угловой части газосборного колокола. Патрубки выполнены с уменьшением площади выходного отверстия патрубка по отношению к входному отверстию. В зоне газосборного колокола, прилегающей к местам установки патрубков, в зоне установки системы автоматической подачи глинозема (АПГ) и с его торцевых сторон выполнены отверстия для подачи воздуха. Соотношение площади выходного отверстия патрубка по отношению к входному составляет 20÷25. Обеспечивается снижение выбросов анодных газов в корпус при дожигании анодных газов в подколокольном пространстве.

Недостатком известного устройства является низкая эффективность термического обезвреживания анодных газов, обусловленная быстрым зарастанием патрубков, диагонально ассиметрично установленных на продольных сторонах газосборного колокола, сажистым углеродом, образующимся при недостатке подачи воздуха в устройство и вследствие этого пиролиза смолистых веществ, содержащихся в анодном газе. С другой стороны, слишком большая подача воздуха в подколокольное пространство чревата выгоранием боковой поверхности анода и увеличением выхода угольной пены.

Известен безгорелочный газосборный колокол, разработанный на Иркутском алюминиевом заводе [Куликов Б.П., Истомин С.П. Переработка отходов алюминиевого производства. Красноярск, ООО «Классик Центр», 2004 г., стр.148, 149, рис.2.19]. Безгорелочный газосборный колокол представляет собой кольцевую (по периметру электролизера), полую, каплевидного сечения, камеру, выполненную заодно с секциями газосборника и крепящуюся на газосборном поясе электролизера. Безгорелочный газосборный колокол состоит из отдельных секций, отлитых из чугуна. Во внутренней части каждой секции газосборника, обращенной к зеркалу электролита, по всему периметру имеется щель, шириной 25÷30 мм, для отвода анодных газов в верхнюю каплевидную полость. На верхней каплевидной части каждой секции находится отверстие размером 30×70 мм для подсоса воздуха, необходимого для дожигания смолистых веществ и моноокиси углерода. Эти отверстия используются также для чистки внутренней полости секций от электролита и анодной массы.

На электролизере с безгорелочным колоколом выделившийся из-под анода газ сразу же попадает в каплевидную полость и уже по ней, без контакта с анодом, движется к отводящим газоходам, подсоединенным к угловым секциям газосборника. Воздух, подсасываемый в каплевидные полости через отверстия, создает условия для сжигания горючих составляющих анодного газа.

Недостатками известного технического решения являются:

- Низкая эффективность термического обезвреживания анодных газов, обусловленная отсутствием регулировки расхода воздуха, подсасываемого в каплевидные полости через отверстия;

- В процессе эксплуатации анодные газы, движущиеся по периметру электролизера к отводящим газоходам, в каплевидной части каждой последующей секции газосборника разбавляются продуктами горения, образованными в каплевидной части каждой предыдущей секции газосборника, т.е. возникают транзитные газы. Это приводит к уменьшению концентрации горючих составляющих анодного газа в каплевидных частях последующих секциях газосборника (по периметру электролизера), что снижает в них температуру горения, и, как следствие, приводит к падению эффективности термического обезвреживания анодных газов;

- Высокие трудоемкость обслуживания и металлоемкость каплевидных частей секций газосборника, расположенных по всему периметру электролизера.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является газосборник алюминиевого электролизера с самообжигающимся анодом [а.с. SU №850744, МПК C25C 3/22, 30.01.1981 г.], выполненный из секций, установленных на анодном кожухе. Газосборник имеет камеру сгорания, ограниченную вертикальной и наклонной стенками, в нижней части наклонная стенка переходит в колокол. Таким образом, камера сгорания выполнена заодно с секцией колокола. Камера сгорания соединена с подколокольным пространством сквозной щелью. На вертикальной стенке выполнены отверстия для прохода воздуха в камеру сгорания. Между анодным кожухом и вертикальной стенкой имеется зазор, образующий канал, обеспечивающий прохождение воздуха сверху вниз. На анодном кожухе на уровне нижней кромки отверстий наклонно установлен козырек для очистки канала от осевшей пыли.

Недостатками вышеуказанного устройства являются:

- Низкая эффективность термического обезвреживания анодных газов, обусловленная отсутствием регулировки расхода воздуха, подсасываемого в камеру сгорания через отверстия, и возникновением транзитных газов;

- Высокие трудоемкость обслуживания и металлоемкость камер сгорания, расположенных по всему периметру электролизера.

В основу изобретения положена задача создания конструкции безгорелочного газосборника алюминиевого электролизера, в которой исключена возможность возникновения транзитных газов.

Технический результат - повышение эффективности термического обезвреживания анодных газов, снижение трудоемкости обслуживания камер сгорания, а также расхода металла при их изготовлении.

Для решения поставленной задачи предлагаются три варианта конструктивного выполнения газосборника алюминиевого электролизера.

По первому варианту газосборник алюминиевого электролизера с самообжигающимся анодом, выполненный из секций, установленных на анодном кожухе, включающий камеры сгорания с отверстиями для прохода воздуха, выполненные заодно с секциями колокола и соединенные с подколокольным пространством сквозными щелями, согласно заявляемому техническому решению выполнен из угловых секций, расположенных на диагонально противоположных углах анодного кожуха, угловая секция газосборника включает угловую бесщелевую камеру дожигания с отводящим патрубком, установленную на угловой секции колокола на соответствующем углу анодного кожуха, и две прямые камеры сгорания со сквозными щелями, выполненные заодно с прямыми секциями колокола и симметрично расположенные по обе стороны от соответствующей угловой камеры дожигания, при этом отверстия для прохода воздуха, снабженные поворотными заслонками, выполнены в верхней части прямых камер сгорания.

Выполнение отверстий для прохода воздуха, снабженных поворотными заслонками, в верхней части прямых камер сгорания, обеспечивает возможность регулировки расхода воздуха, подсасываемого в прямые камеры сгорания угловой секции газосборника. Это позволяет достичь максимально высокой температуры горения и уменьшить концентрацию продуктов горения в прямых камерах сгорания угловой секции газосборника, что также сокращает пылевынос в систему газоочистки. В итоге повышается эффективность термического обезвреживания анодных газов.

Так как заявляемая конструкция угловой секции газосборника включает угловую бесщелевую камеру дожигания с отводящим патрубком, установленную на угловой секции колокола на соответствующем углу анодного кожуха, и две прямые камеры сгорания со сквозными щелями, выполненные заодно с прямыми секциями колокола и симметрично расположенные по обе стороны от соответствующей угловой камеры дожигания, то в процессе эксплуатации:

- Анодные газы, движущиеся по продольной и торцевой сторонам анодного кожуха к отводящим патрубкам на соответствующей угловой камере дожигания, сразу же поступают в соответствующие прямые камеры сгорания, что исключает возможность возникновения в них транзитных газов. Это приводит к сохранению концентрации горючих составляющих анодного газа и повышению температуры горения в прямых камерах сгорания угловой секции газосборника;

- В угловой бесщелевой камере дожигания, установленной на угловой секции колокола на соответствующем углу анодного кожуха, обеспечивается выдерживание продуктов горения, вышедших из прямых камер сгорания, при достаточно высокой температуре горения.

В результате повышается эффективность термического обезвреживания анодных газов. Кроме того, существенно снижаются трудоемкость обслуживания и металлоемкость при изготовлении камер сгорания заявляемой конструкции.

Для обеспечения равномерности удаления продуктов горения в систему газоочистки при исключении возможности возникновения транзитных газов газосборник алюминиевого электролизера выполнен из угловых секций вышеописанной конструкции, расположенных по диагонали на противоположных углах анодного кожуха. Кроме того, данное расположение угловых секций газосборника удобно в обслуживании электролизера, что повышает безопасность производства.

По второму варианту газосборник алюминиевого электролизера с самообжигающимся анодом, выполненный из секций, установленных на анодном кожухе, включающий камеры сгорания с отверстиями для прохода воздуха, выполненные заодно с секциями колокола и соединенные с подколокольным пространством сквозными щелями, согласно заявляемому техническому решению выполнен из прямых секций, расположенных в середине продольных сторон анодного кожуха, прямая секция газосборника включает прямую бесщелевую камеру дожигания с отводящим патрубком, установленную на прямую секцию колокола в середине соответствующей продольной стороны анодного кожуха, и две прямые камеры сгорания со сквозными щелями, выполненные заодно с прямыми секциями колокола и симметрично расположенные по обе стороны от соответствующей прямой камеры дожигания, при этом отверстия для прохода воздуха, снабженные поворотными заслонками, выполнены в верхней части прямых камер сгорания.

Выполнение отверстий для прохода воздуха, снабженных поворотными заслонками, в верхней части прямых камер сгорания, обеспечивает возможность регулировки расхода воздуха, подсасываемого в прямые камеры сгорания прямых секций газосборника. Это позволяет достичь максимально высокой температуры горения и уменьшить концентрацию продуктов горения в прямых камерах сгорания прямых секций газосборника, что также сокращает пылевынос в систему газоочистки. В итоге повышается эффективность термического обезвреживания анодных газов.

Так как заявляемая конструкция прямой секции газосборника включает прямую бесщелевую камеру дожигания с отводящим патрубком, установленную на прямую секцию колокола в середине соответствующей продольной стороны анодного кожуха, и две прямые камеры сгорания со сквозными щелями, выполненные заодно с прямыми секциями колокола и симметрично расположенные по обе стороны от соответствующей прямой камеры дожигания, то в процессе эксплуатации:

- Анодные газы, движущиеся к отводящим патрубкам на соответствующей прямой камере дожигания в середине соответствующей продольной стороны анодного кожуха, сразу же поступают в соответствующие прямые камеры сгорания, что исключает возможность возникновения в них транзитных газов. Это приводит к сохранению концентрации горючих составляющих анодного газа и повышению температуры горения в прямых камерах сгорания прямой секции газосборника;

- В прямой бесщелевой камере дожигания, установленной на прямую секцию колокола в середине соответствующей продольной стороны анодного кожуха, обеспечивается выдерживание продуктов горения, поступающих из прямых камер сгорания, при максимально высокой температуре горения.

В результате повышается эффективность термического обезвреживания анодных газов. Кроме того, существенно снижаются трудоемкость обслуживания и металлоемкость при изготовлении камер сгорания заявляемой конструкции.

Для обеспечения равномерности удаления продуктов горения в систему газоочистки при исключении возможности возникновения транзитных газов газосборник алюминиевого электролизера выполнен из прямых секций вышеописанной конструкции, расположенных в середине продольных сторон анодного кожуха.

По третьему варианту газосборник алюминиевого электролизера с самообжигающимся анодом, выполненный из секций, установленных на анодном кожухе, включающий камеры сгорания с отверстиями для прохода воздуха, выполненные заодно с секциями колокола и соединенные с подколокольным пространством сквозными щелями, согласно заявляемому техническому решению выполнен из угловых и прямых секций, соответственно расположенных на диагонально противоположных углах и в середине продольных сторон анодного кожуха, угловая секция газосборника включает угловую бесщелевую камеру дожигания с отводящим патрубком, установленную на угловой секции колокола на соответствующем углу анодного кожуха, и две прямые камеры сгорания со сквозными щелями, выполненные заодно с прямыми секциями колокола и симметрично расположенные по обе стороны от соответствующей угловой камеры дожигания, прямая секция газосборника включает прямую бесщелевую камеру дожигания с отводящим патрубком, установленную на прямую секцию колокола в середине соответствующей продольной стороны анодного кожуха, и две прямые камеры сгорания со сквозными щелями, выполненные заодно с прямыми секциями колокола и симметрично расположенные по обе стороны от соответствующей прямой камеры дожигания, при этом отверстия для прохода воздуха, снабженные поворотными заслонками, выполнены в верхней части прямых камер сгорания.

Причинно-следственная связь между отличительными признаками конструкции газосборника по третьему варианту и техническим результатом обусловлена аналогичными соображениями, касающимися первого и второго вариантов заявляемой конструкции газосборника. Заявляемая конструкция газосборника по третьему варианту обеспечивает наиболее равномерный газоотвод в камеры сгорания и наиболее высокую эффективность термического обезвреживания анодных газов.

Для оптимизации расхода воздуха по любому из вышеописанных вариантов конструктивного выполнения газосборника алюминиевого электролизера ширина сквозной щели камеры сгорания равна 15÷30 мм.

По любому из пп.1-3 общая площадь отверстий для подвода воздуха в камеру сгорания составляет 45÷50% от общей площади сквозных щелей данной камеры сгорания. Такое соотношение площади отверстий для подвода воздуха и площади сквозных щелей для подвода анодного газа выбрано по соображениям обеспечения рационального соотношения топлива - воздух в камере сгорания.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами.

На фиг.1 изображен общий вид газосборника по первому варианту; на фиг.2 - общий вид газосборника по второму варианту; на фиг.3 - общий вид газосборника по третьему варианту; на фиг.4 изображена угловая секция газосборника; на фиг.5 - прямая секция газосборника; на фиг.6 - прямая камера сгорания.

Газосборник алюминиевого электролизера по первому варианту (см. фиг.1) выполнен из угловых секций, расположенных на диагонально противоположных углах анодного кожуха 1.

Газосборник алюминиевого электролизера по второму варианту (см. фиг.2) выполнен из прямых секций, расположенных в середине продольных сторон анодного кожуха 1.

Газосборник алюминиевого электролизера по первому варианту (см. фиг.3) выполнен из угловых и прямых секций, соответственно расположенных по диагонали на противоположных углах и в середине продольных сторон анодного кожуха 1.

Газосборный колокол газосборника алюминиевого электролизера по любому варианту выполнен из прямых 2 и угловых 3 навесных секций в виде камер, навешенных по всему периметру нижней части анодного кожуха 1. Навесные секции газосборного колокола, соединенные друг с другом посредством крепежных элементов, совместно с анодом образуют подколокольное пространство.

Угловая секция газосборника по первому и третьему вариантам (см. фиг.4) включает угловую 4 бесщелевую камеру дожигания и две прямые 5 камеры сгорания. Угловая 4 бесщелевая камера дожигания установлена на угловой 3 секции колокола, расположенной на соответствующем углу анодного кожуха 1. Прямые 5 камеры сгорания выполнены заодно с прямыми 2 секциями колокола и симметрично расположены по обе стороны от соответствующей угловой 4 камеры дожигания. В верхней части прямых 5 камер сгорания угловой секции газосборника выполнены отверстия для прохода воздуха, снабженные поворотными заслонками 6, а в нижней части прямых 5 камер сгорания, обращенной к подколокольному пространству, по всему периметру сделаны сквозные щели (не показаны). Посредством сквозных щелей прямые 5 камеры сгорания угловой секции газосборника соединены с подколокольным пространством. Угловая 4 бесщелевая камера дожигания угловой секции газосборника снабжена отводящим патрубком 7, связанным с системой газоочистки (не показана). Отводящий патрубок 7, в нижней части которого выполнено отверстие с поворотной заслонкой (позиция не показана), установлен в середине верхней части угловой 4 бесщелевой камеры дожигания, изолированной от подколокольного пространства. Угловая 4 бесщелевая камера дожигания соединена с прямыми 5 камерами сгорания посредством элементов крепления.

Прямая секция газосборника по второму и третьему вариантам (см. фиг.5) включает прямую 8 бесщелевую камеру дожигания и две прямые 5 камеры сгорания. Прямая 8 бесщелевая камера дожигания установлена на прямую 2 секцию колокола, расположенную в середине соответствующей продольной стороны анодного кожуха 1. Прямые 5 камеры сгорания выполнены заодно с прямыми 2 секциями колокола и симметрично расположены по обе стороны от соответствующей прямой 8 бесщелевой камеры дожигания. В верхней части прямых 5 камер сгорания прямой секции газосборника выполнены отверстия для прохода воздуха, снабженные поворотными заслонками 6, а в нижней части прямых 5 камер сгорания, обращенных к подколокольному пространству, по всему периметру сделаны сквозные щели (не показаны). Посредством сквозных щелей прямые 5 камеры сгорания прямой секции газосборника соединены с подколокольным пространством. Прямая 8 бесщелевая камера дожигания прямой секции газосборника снабжена отводящим патрубком 7, связанным с системой газоочистки (не показана). Отводящий патрубок 7, в нижней части которого выполнено отверстие с поворотной заслонкой (позиция не показана), установлен в середине верхней части прямой 8 бесщелевой камеры дожигания, изолированной от подколокольного пространства. Прямая 8 бесщелевая камера дожигания соединена с прямыми 5 камерами сгорания посредством элементов крепления.

По любому варианту камера сгорания представляет собой полую, каплевидного сечения, камеру, выполненную заодно с навесной секцией колокола (см. фиг.6).

По любому варианту камера дожигания представляет собой полую, бесщелевую, каплевидного сечения, камеру, установленную на верхнюю часть навесной секции колокола.

Газосборник алюминиевого электролизера работает следующим образом.

По первому варианту анодные газы, выделившиеся из электролита, под действием разрежения движутся под газосборным колоколом вдоль продольных и торцевых сторон анодного кожуха 1, прилегающих к диагонально противоположным углам анодного кожуха 1, к отводящим патрубкам 7 угловых 4 бесщелевых камер дожигания, расположенных на соответствующих углах анодного кожуха 1. Через сквозные щели анодные газы поступают в прямые 5 камеры сгорания, симметрично расположенные по обе стороны от соответствующей угловой 4 бесщелевой камеры дожигания. Одновременно через отверстия с поворотными заслонками 6 в верхнюю часть прямых 5 камер сгорания проходит атмосферный воздух. В результате в прямых 5 камерах сгорания происходит воспламенение анодного газа, имеющего температуру, близкую к температуре воспламенения, при его смешении с атмосферным воздухом. Регулирование расхода воздуха поворотными заслонками 6 повышает температуру горения анодных газов и полноту термического обезвреживания его вредных составляющих. Продукты горения, образовавшиеся в прямых 5 камерах сгорания, сразу же поступают в соответствующую угловую 4 бесщелевую камеру дожигания, где выдерживаются при достаточно высокой температуре. Это увеличивает длительность пребывания продуктов горения в зоне высоких температур, что способствует более полному их разложению. После этого продукты горения через отводящие патрубки 7 поступают в систему газоочистки.

По второму варианту анодные газы, выделившиеся из электролита, под действием разрежения движутся под газосборным колоколом вдоль анодного кожуха 1 к отводящим патрубкам 7 прямых 8 бесщелевых камер дожигания, расположенных в середине соответствующей продольной стороны анодного кожуха 1. Через сквозные щели анодные газы поступают в прямые 5 камеры сгорания, симметрично расположенные по обе стороны от соответствующей прямой 8 бесщелевой камеры дожигания. Одновременно через отверстия с поворотными заслонками 6 в верхнюю часть прямых 5 камер сгорания проходит атмосферный воздух. В результате в прямых 5 камерах сгорания происходит воспламенение анодного газа, имеющего температуру, близкую к температуре воспламенения, при его смешении с атмосферным воздухом. Регулирование расхода воздуха поворотными заслонками 6 повышает температуру горения анодных газов и полноту термического обезвреживания его вредных составляющих. Продукты горения, образовавшиеся в прямых 5 камерах сгорания, сразу же поступают в соответствующую прямую 8 бесщелевую камеру дожигания, где выдерживаются при достаточно высокой температуре. Это увеличивает длительность пребывания продуктов горения в зоне высоких температур, что способствует более полному их разложению. После этого продукты горения через отводящие патрубки 7 поступают в систему газоочистки.

По третьему варианту анодные газы, выделившиеся из электролита, под действием разрежения движутся под газосборным колоколом вдоль анодного кожуха 1, к отводящим патрубкам 7 угловых 4 и прямых 8 камер дожигания, соответственно расположенных на диагонально противоположных углах и в середине продольных сторон анодного кожуха 1. Через сквозные щели анодные газы поступают в прямые 5 камеры сгорания, симметрично расположенные по обе стороны от соответствующей угловой 4 и прямой 8 бесщелевых камер дожигания. Одновременно через отверстия с поворотными заслонками 6 в верхнюю часть прямых 5 камер сгорания проходит атмосферный воздух. В результате в прямых 5 камерах сгорания происходит воспламенение анодного газа, имеющего температуру, близкую к температуре воспламенения, при его смешении с атмосферным воздухом. Регулирование расхода воздуха поворотными заслонками 6 повышает температуру горения анодных газов и полноту термического обезвреживания его вредных составляющих. Продукты горения, образовавшиеся в прямых 5 камерах сгорания, поступают в соответствующую угловую 4 и прямую 8 бесщелевые камеры дожигания, где выдерживаются при достаточно высокой температуре. Это увеличивает длительность пребывания продуктов горения в зоне высоких температур, что способствует более полному разложению углеводородных составляющих. После этого продукты горения через отводящие патрубки 7 поступают в систему газоочистки.

Конструкция безгорелочного колокола позволяет осуществлять его чистку через поворотные заслонки 6 отверстий для прохода воздуха в камерах сгорания, а также через поворотные заслонки отверстий в нижней части отводящих патрубков 7.

В целом, рассмотренное техническое решение обеспечивает существенное повышение эффективности термического обезвреживания анодных газов алюминиевого электролизера при одновременном снижении трудоемкости обслуживания газосборника и его металлоемкости.