УДК 669.71:502.3
ОХЛАЖДЕНИЕ АНОДНЫХ ГАЗОВ АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ В ТЕПЛООБМЕННИКАХ НАГРЕВА ГЛИНОЗЕМА
© Шахрай Сергей Георгиевич1, канд. техн. наук, e-mail: shahrai56@mail.ru; Кондратьев Виктор Викторович2, канд. техн. наук, e-mail: kvv@istu.edu; Белянин Александр Владимирович3, e-mail: belyaninav@yandex.ru; Николаев Виктор Николаевич2, e-mail: selengovchanin@mail.ru; Гронь Вера Александровна1, канд. техн. наук, e-mail: gronva@mail.ru
1 ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». Россия, г. Красноярск
2 Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет. Россия, г. Иркутск
3 ОАО «РУСАЛ-Красноярск». Россия, г. Красноярск Статья поступила 20.10.2014 г.
Приведен анализ потерь тепла на нагрев загружаемого в электролизер глинозема до температуры расплава, расхода электроэнергии на восполнение этих потерь, а также количества тепла, уносимого с анодными газами в систему газоотсоса. Предложено техническое решение, направленное на снижение энергопотребления электролизером с самообжигающимся анодом благодаря использованию тепла анодных газов на нагрев глинозема, что позволит снизить удельный расход электроэнергии на 135170 кВт-ч/т А1.
Ключевые слова: электролизер с самообжигающимся анодом и верхним токоподво-дом; нагрев глинозема; тепло анодных газов; утилизация.
Цель настоящей работы - поиск путей повышения энергетической эффективности электролитического производства алюминия. Истощение мировых запасов невозобновляемых энергоресурсов и повышение цен на энергоносители на государственном уровне обусловливает необходимость снижения энергоемкости производства промышленной продукции*.
В работе представлено техническое решение, направленное на снижение энергопотребления при производстве алюминия в электролизерах с самообжигающимся анодом и верхним токоподво-дом, в которых производится около 75% российского алюминия, при этом получение каждой тонны металла сопровождается расходом около 16 тыс. кВт-ч электроэнергии от источников постоянного тока [1].
Растворимость глинозема в электролите определяется, главным образом, составом и температурой электролита. Растворимость уменьшается с понижением температуры, уменьшением криолито-вого отношения и увеличением концентрации добавок различных фторидов. Разложение глинозема в расплаве происходит в несколь-
ко этапов - от засыпки в ванну до превращения в гомогенизированный расплав. В электролите холодный у-А1203 нагревается и превращается в а-А1203, затем, химически реагируя с ионами, образует комплексные алюминиевые оксифторидные частицы с последующим превращением в единый расплав. Таким образом, температура и масса глинозема определяют скорость его растворения в расплаве [2].
При производстве 1 т алюминия расходуется около 1920 кг глинозема. На нагрев до температуры расплава такого количества глинозема, средняя удельная теплоемкость которого в интервале температур 20-1000 °С составляет 1,27 кДж/(кг-К)-[3], в электролизере с верхним токоподводом расходуется около 2,3-106 кДж теплоты. На восполнение расхода теплоты на нагрев глинозема затрачивается 600-620 кВт-ч электроэнергии (3,5-4% ее общего потребления). В то же время с высокоэнтальпийны-ми анодными газами в систему газоотсоса уносится энергия, количество которой в 3-4 раза превышает затраты теплоты на нагрев глинозема [4]. Использование этих газов в производстве способно существенно снизить потребление электроэнергии и повысить энергетическую эффективность электролизеров с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом.
Для предприятий российской алюминиевой промышленности, эксплуатирующей преимущественно электролизеры этого типа, наиболее целесообразным представляется использование теплоты анод-
Федеральный Закон РФ №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные Законодательные акты Российской Федерации». Принят Государственной Думой 11.11.2009 г.
ных газов на предварительным нагрев глинозема перед его загрузкой в расплав системой автоматического питания ванны (АПГ).
Для реализации этой идеи можно использовать в качестве бункера АПГ противоточный ко-жухотрубный теплообменник, в котором горячие газы движутся в трубах, а нагреваемый глинозем - в межтрубном пространстве. Удельное количество теплоты, удаляемой в систему газоотсоса, определяется объемом, теплоемкостью и температурой газов, отбираемых от электролизера. При проектируемом объеме газоотсоса от электролизера в пределах 13-14 тыс. нм3/т А1 удельное количество теплоты, уносимой в систему газоотсоса, составляет 3,6-106-4,0-106 кДж/т А1. Из этого количества 10-15% может быть утилизировано в теплообменнике и использовано на нагрев глинозема. Ограничение количества используемой для этих целей теплоты обусловлено его значительными потерями наружными
поверхностями газоходов теплопроводностью и конвекцией, а также необходимостью поддержания температуры газов на выходе из теплообменника на уровне 80-100 °С для предотвращения конденсации паров смолистых веществ и их дальнейшего осаждения на стенках теплообменника. Конденсация смолистых веществ обусловлена их неполным сгоранием в горелоч-ных устройствах и высокой концентрацией в газах после горелочного устройства - в среднем 230 мг/нм3 [5].
Для соблюдения условий противоточного движения теплоносителя и нагреваемого материала бункер-теплообменник системы АПГ следует установить не на анодном кожухе, как это практикуется в настоящее время (рис. 1), а вне электролизера таким образом, чтобы были обеспечены условия свободного течения глинозема в межтрубном пространстве (рис. 2) и возможность его подачи на два смежных электролизера
Глинозем
Анодные
Рис. 1. Электролизеры с верхним токоподводом, оборудованные бункерами АПГ
Рис. 2. Схема движения анодных газов и глинозема в бункере-теплообменнике
В систему газоотсоса
аш I I I =г=г
ЖЙЙМЕЖЯЙЙЙЙК
1 I I М 1
Рис. 3. Схема утилизации тепла анодных газов на нагрев глинозема: 1 - электролизер; 2 - бункер-теплообменник системы АПГ; 3 - трубы подачи нагретого глинозема в электролизер; 4 - горелочное устройство электролизера; 5 - газоход отвода газов
от электролизера; 6 - пробойник системы АПГ
Рис. 4. Секция газосборного колокола для загрузки глинозема в расплав: 1 - секция ГСК; 2 - камера сбора фторидов, образующихся при загрузке сырья в расплав;
3 - отверстие ввода сырья в расплав
(рис. 3). При этом высота бункера-теплообменника должна быть такой, чтобы угол наклона трубы подачи превышал угол естественного откоса глинозема, равный 35-40°, а его объем составлял 1,5 м3, что равно двукратной вместимости бункеров системы АПГ, эксплуатируемых в настоящее время. Увеличение вместимости бункера обеспечивает возможность загрузки в него до 3 т глинозема, достаточных для питания смежных электролизеров в течение 2-3 сут. Нахождение глинозема в теплообменнике в течение этого времени обеспечивает его прогрев до 200-250 °С. При этом количество теплоты, поступившей в теплообменник за этот период, составит около 6-106 кДж. Соответственно утилизация 10-15% теплоты и длительное пребывание глинозема в бункере-теплообменнике (двое суток и более) обеспечит его прогрев до необходимой температуры.
Загрузка в электролизер нагретого глинозема на 20-25% уменьшает расход электроэнергии на его нагрев до температуры расплава, что составляет 120-150 кВт-ч/т А1.
В целях снижения теплопотерь в окружающую среду наружные поверхности бункера целесообразно оборудовать тепловой изоляцией, а загрузку нагретого глинозема в расплав осуществлять непосредственно под газосборный колокол через секцию, оборудованную камерой сбора фторидов, образующихся в результате испарения и гидролиза фтористых солей (рис. 4) [5]. Необходимость оборудования секции камерой сбора газов обусловлена тем, что при загрузке в электролизер порции глинозема массой 1,5-1,7 кг и влажностью 0,4-0,8 мас. % объем образующегося фторида водорода и паров воды при тем-
пературе расплава (950-960 °С) достигает 70-80 дм3. При этом объем подколокольного пространства оказывается недостаточным для их полного улавливания. В результате происходят залповые выбросы газа и пыли в атмосферу корпуса, удельная величина которых достигает 0,4-0,7 кг/т А1, что ухудшает экологические и технико-экономические показатели электролизера вследствие безвозвратных потерь фтористых солей. Наличие камеры обеспечивает сбор загрязняющих веществ, образующихся при загрузке глинозема в расплав электролита, а также компенсацию локального повышения давления в подколокольном пространстве при течении реакции гидролиза.
Охлаждение анодных газов в теплообменнике до 80-100 °С в 2-2,5 раза уменьшает их объем, а также вязкость и статическое давление на стенки газоходов. Соответственно энергозатраты на эвакуацию охлажденных газов, а также диаметры труб газоходных сетей уменьшаются на 25-30%. В итоге, по нашей оценке, удельные энергозатраты на транспортировку газов снижаются на 15-20 кВт-ч/т А1, а материалоемкость газоходной сети корпуса электролиза - на 12-15 т.
К другим преимуществам предлагаемого решения следует отнести уменьшение числа устанавливаемых бункеров практически в два раза. Например, в масштабах корпуса электролизера, эксплуатирующего 88 электролизеров - с 352 до 192 бункеров. Удаление бункеров с анодного кожуха сократит нагрузку на домкраты анодной рамы на 6-8 т, что, в свою очередь, снизит потребление электроэнергии их приводами на 15-20% или на 2,0-2,5 кВт-ч/т А1.
Перенос бункеров исключит экранирование анодного кожуха и увеличит потери тепла анодным устройством теплопередачей и излучением. При этом будет обеспечено более равномерное распределение температуры в зоне жидкой анодной массы, что положительно скажется на формировании самообжигающегося анода. Образование «шеек» анода и интенсивность протекания жидкого пека в подколокольное пространство также сократятся, что в целом улучшит экологические показатели электролизера с верхним токо-подводом.
Выводы. Нагрев глинозема анодными газами в вынесенных за пределы ванны бункерах обеспечивает:
- суммарное снижение удельного рас
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.