CN102197164B - 用于收集来自电解工艺的热气体的装置以及利用该装置收集气体的方法 - Google Patents

Abstract

生产金属的电解池需要将精确量的原料(如氧化铝)添加到电解池，而且作为在电解池中发生的反应效应，需要提取出产品(比如铝)并去除任何废弃产物(比如HF和CO₂)。为了适当地冷却电解池和保证收集到来自非气密性的电解池的所有排出物，正常抽吸周围空气的量大约是电解池所产生的气体体积的100-150倍。本发明涉及如何借助于分布式罐抽吸(DPS)装置从电解池中提取比当前制铝工业中的标准程序浓度更高的CO₂废气。在一个实施方式中，分布式罐抽吸可与带有粉碎棒的喂料器结合以用于向电解池供给原料。热量可从热的废气中提取出来。

Description

用于收集来自电解工艺的热气体的装置以及利用该装置收集气体的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在电解池中(尤其是在用于生产铝的电解池中)收集离开气体(off gas)的方法和装置。

发明内容

在所有具有预焙阳极的用于生产铝的现代电解池中，在电解池上方的上部结构具有多个与电解池上部结构连接的独立的点式进料器。气体收集系统具有沿着工艺气体通道分布的多个抽吸点，所述抽吸点位于上部结构的顶部，但是作为与氧化铝喂料系统相邻的独立系统。由于正常情况下每天不得不用新的阳极更换至少一个阳极，现代的预焙电解池具有带许多罩的上部结构，所述罩盖住阴极与位于阳极梁正下方的集气罩之间的区域以阻止废气(flue gases)进入电解室。为了阻止该污染，通常，在电解池上部结构内部需要负压(低于大气压)，并且大量的空气与废气一同被抽吸通过这些间隙进入气体抽吸系统以用于进一步处理(当今的氟化物回收和一些情况下的除硫(净化作用))。

进入上部结构内部的空气还利用其安装好的设备(气动设备、电动设备和电子设备)为电解池的上部部分提供空气冷却。在阳极更换期间，需要拆下一些罩。为了阻止废气进入电解室以及为了保护操作者免于暴露于废气中，在操作期间通过将电解池设置成罐管理抽吸(PTS，pot tending suction)模式(比如通过独立的抽吸串)来显著地增加抽吸量从而获得足够的废气收集。通过轻弹阀，气体抽吸可从正常模式转换成PTS模式，增加的抽吸量能够使得通过从电解池拆下多个罩来进行阳极更换而没有任何废气进入电解室，也就是说，在电解池上部结构内部保持负压。

在一个多世纪以前通过人工打碎氧化铝的顶部壳并且将氧化铝粉供给到电解池中来实现向电解池供给氧化铝。后来通过打壳轮(而不是打壳柱以及最后的电子控制的点式打壳机)来进行壳的打破，该点式打壳机安装在基本上所有新建的熔炉上。因此，点式喂料被认为是本领域的状态。

铝的生产也会产生排出物，主要是CO₂，以及微量的CO，而且还有大量的HF和SO₂。这样的排出物通过电解液上方的固化壳层、通过喂料孔而且还通过壳本身离开电解过程。现代的熔炉在排出物释放到大气之前去除HF和SO₂中的大部分，但是不去除CO₂。为了去除从电解池释放出的所有排出物并且适当地冷却电解池，标准的抽吸设计包括沿着位于离顶壳大约一米处的主气体管的多个抽吸点。这些抽吸点从电解池的上部结构中的间隙和接头处吸取很多漏气(falsegas)，从而在顶罩内部保持负压以保证捕获所有从电解池释放出的排出物。所收集的气体对于上部结构来说相当冷(100-150℃)，而且离开气体被漏气大大地稀释。

直到今天，对CO₂洗涤的关注还不太多，这是因为它是自然循环的一部分，但是最近对CO₂如何影响气候的关注改变了上述关注。现代电解池对于CO₂的捕获和分离的设计界限是CO₂在工艺气体中的浓度很低，通常小于1％。去除低浓度的CO₂既具有挑战性又费用高，因此还没有发现其在任何地方的公开文献中发表。CO₂分离的费用通常随着废气中CO₂浓度的增加而降低。

本发明总体涉及气体收集装置，该气体收集装置优选地与氧化铝喂料器相结合。本发明涉及一种用于收集浓缩的工艺气体以用于进一步处理的方法。另外，这种装置能够收集具有适于热回收的足够高的升高温度的工艺气体，比如温度大于100℃的废气，优选大于150℃的废气。

在WO2006/009459中描述了一种用于从来自工艺设备的排出气体进行热回收的方法和设备，所述排出气体例如是来自用于生产铝的电解设备的工艺气体。有利地，这种技术可与本发明结合。

各种工业过程产生工艺气体，该工艺气体可被颗粒、灰尘和其它可在能量回收设备中引起结垢的物质污染。该结垢意味着效率降低，而且可能需要额外的维护，比如清洗暴露于气流中的表面。工艺气体在被清洗之前可能包含有沉积在能量回收设备上的灰尘和/或颗粒，因此使热回收的效率降低到不期望的低水平。因此，能量回收单元通常在气体被清洗之后放置在气体清洗装置的下游。

关于优化能量回收，在工艺气体中的能量含量处于它的最高水平的情况下，将回收单元布置得与工业过程尽量近是有益的。这意味着能量回收单元不得不布置在气体清洗设备的上游，因为这样的设备位于与工业过程较远的位置处。例如，来自铝电解还原槽的工艺气体含有大量处于较低温度水平的能量。这种能量目前仅以很低的程度被利用，但是如果建立技术上和经济上可接受的用于热回收的方案，它可以用于加热目的、处理目的和电力生产。在已加热的液体中获得的温度水平对于回收的热能的价值和有用性来说是确定无疑的。因此，应当在尽可能高的工艺气体温度下从工艺气体中提取热。

使工艺气体冷却对气体流动速率和压降的减小做出贡献，结果产生减小的鼓风动力。通过尽可能地靠近铝池冷却工艺气体来实现压降的最大减小。

工艺气体中的能量含量可在热交换器(热回收系统)中被回收，在该热交换器中，工艺气体将热量(被冷却)释放给适用于所述应用的另一种液体。原则上，热回收系统可位于：

-清洗工艺的上游，其中热回收系统必须与包含颗粒的气体一起工作；

-清洗工艺的下游，其中已经去除气体中的污染组分和颗粒；

-在电解池本身内。

由于当前可用的清洗工艺在很低的温度水平下工作达到最佳，实际上，能量回收仅仅与在热回收系统位于清洗工艺上游的情况下的替代方案相关。实际上，这意味着热回收系统必须能够与含有颗粒的热气体一起工作。

在与热回收相结合的鼓风机上游冷却未净化的气体是一种既降低工艺气体体积流率又降低通道系统和气体清洗设备中压降的方案。从而，抽吸可以在不需要改变通道和气体清洗设备的尺寸的情况下得以增强。

从工艺气体回收的热可用作工艺热量用于各种加热和处理目的，比如CO₂分离。

用于气体收集的本抽吸装置能够获得在电解池中产生的废气的有效收集，而氧化铝或者阳极覆盖材料(ACM)没有进入抽吸装置。与点式喂料器相结合，这可给出一种紧凑的设计。

1988年的美国专利4,770,752描述了一种系统，其中气体收集罩对应于设在壳中的孔与壳接触地放置。该发明的目的是收集来自电解池的废气以用于通过氧化铝净化氟化物组分并且其后通过一个单独的氧化铝喂料器将氧化铝和氟化物再次返回到电解池中。除了预热氧化铝之外，没有提到CO₂洗涤和热回收。由于所述罩安装得离阳极和壳太近，该发明在维护方面有局限性而且在阳极更换期间可能发生损坏。没有指明任何利用该发明、具有上述缺点的设备。

1981年的日本专利57174483描述了一种用于连续测量铝电解池的当前效率的方法和装置。目的在于快速连续地测量当前效率并且通过连续地收集从电解池产生的气体、接连地测量CO₂和CO的浓度、将这测量转化成电信号并且将这些信号输入到控制器中来控制原料的供应。收集装置没有被充分地描述，不过看起来定位成与壳相接触，具有刚刚描述过的缺点。

1988年的美国专利4,770,752描述了一种系统，其中罩对应于设在壳中的孔放置成与壳接触。该发明的目的在于收集来自电解池的废气以用于通过定位成靠近电解池的氧化铝来净化氟化物组分并且其后将氧化铝和所述氟化物组分直接返回到与放出它们的相同电解池中。

美国专利5,968,334描述了使用隔膜从来自电解池的废气中去除CF₄和C₂F₆中的至少一种气体。

本发明进一步地涉及分布式罐抽吸(DPS)的原理，其中可结合向电解池供给原料氧化铝，并且同时从电解池顶壳中的孔提取出比当今铝工业的标准程序更高浓度CO₂的废气。然而，如果合适的话，抽吸装置也可以安装在电解池中的壳上方的其它位置处。

关于废气获得四个有效效应：

1.从电解池去除的气体总量较少，有可能减少整个烟气处理设备/中心(FTP/FTC)或者气体处理中心(GTC)。

2.第1点的结果在于：所收集的工艺气体在温度上将比以前增加并且因此更适于热回收。

3.更少的“漏气”抽吸到气体收集腔室会显著地增加离开气体中CO₂的浓度，使得利用用于从发电站捕获CO₂的标准技术能够进行CO₂捕获和分离。

4.改善上部结构内的气体流动。

附图说明

可通过所附的专利权利要求书所限定的本发明来获得这些以及其它优点。

下面将通过实例和附图来更详细地说明本发明，附图中：

图1公开了根据本发明的分布式罐抽吸(DPS)装置的一个实施例，

图2公开了来自抽吸装置的废气收集的流体动态模型，该抽吸装置包括具有单壁构造的罩，

图3公开了来自抽吸装置的废气收集的流体动态模型，该抽吸装置包括具有双壁构造的罩，

图4部分地显示了从下面看的双壁收集罩的图片，

图5a公开了DPS的第二实施例的横截面图，

图5b公开了图5a所示DPS围绕其纵轴线旋转90度的侧视图，

图5c公开了图5a和5b所示DPS的分布板的放大图，

图6公开了从电解池上部结构内采用传统的废气收集装置得到的电解池内CO₂浓度的图示，

图7公开了CO₂浓度在变化的条件下从左边的“正常”到右边的“纯DPS收集”的图示，

图8公开了从上面看的利用5个DPS单元操作的电解池上部结构中的示意性气体流动图案，

图9公开了在电解池上部结构的顶部抽吸的情况下电解池内的压力分布/气体流动的图示，

图10公开了在根据本发明的DPS抽吸而没有在上部结构的顶部抽吸的情况下电解池内的压力分布/气体流动的图示。

具体实施方式

为了从分布式罐抽吸装置(DPS)获得最大的气体收集，可采用多种方式来设计收集罩。在本发明的开发期间所设计出的样机中的一种具有一个单壁收集罩4’(参见在图2中收集效率的CFD模拟结果)。另一版本的抽吸罩4具有双壁(参见图3)，其中在双壁之间的抽吸速率比中心的明显高。较密集的线表示抽吸速率较高。

该特别的抽吸形成人造的“空气壁”，其给出了从壳“C”中的孔“H”的更有效的废气收集，并且减少了来自横向流动的干扰。还可为DPS配备加压空气，通过接头吹空气，代价是在这个应用中的罐室中使用更多的压缩空气。在附图中，附图标记7表示打壳棒。

优选实施例的详细描述

结合有点式喂料器的DPS(分布式罐抽吸)的功能描述如下：

在图1中，打壳机的气动缸由附图标记1表示，该打壳机附装至DPS的主要部分。在附图中，还示出了收集罩4、氧化铝喂料管3、气体抽吸管5以及阀6。示出了在阀的另外一侧具有管2。

在操作期间，罐上部结构上的正常气体流动通过DPS转运，DPS点设置在罐的喂料点中的每一个内。通过专用管2引入的用于DPS的抽吸器可优选地连接到现有喂料器的改型，或者替代地该抽吸器也可以是替代现有喂料器的新组件的一部分。可通过流质喂料器以及机械喂料器来供给氧化铝。

当气体被抽吸通过管2时，该气体将被收集到位于罐上部结构上的一个主要管/集管(manifold)中，从而传送来自所有喂料点(未示出)的气体。气体从该过渡点传送到烟气处理系统(即，氟化物回收；和SO₂去除)，并且从该处被引入任何能够控制CO₂的实际浓度的商用CO₂洗涤系统中，或者作为输入进入诸如燃气涡轮、煤电设备或者生物燃烧设备的燃烧系统。

当罐要使用时，可关闭位于上部结构上的用于DPS点的主要收集管，罐上部结构中的主要管可被致动以支持来自罐的罐保养抽吸(PTS)(即，比正常水平增加2-4倍的罐抽吸量)。

浓度上升(up-concentrated)的工艺气体比正常的工艺气体热，这使得它适用于热回收。在另一方面，较热的气体会可能损坏上部结构和安装在那的电子器件。解决这个新问题的一种方法是将气体收集系统的部件在上部结构内隔热并且与在电解池外部可进行热回收的地方隔热。

另一选择是考虑到电解池上部结构内部的其它装置，在气体收集罩及其相应的管道之间设置一些空间。

来自多个电解池的工艺气体可连接到相同的热回收单元。然后，工艺气体被发送到典型的烟气处理装置，从而去除尘土、HF和SO₂。根据是否将废气与另一工艺连接以作为助燃空气或者直接连接到CO₂洗涤单元，废气可能不得不被充分净化以便不损害这些工艺步骤。

本发明一个实施例的主要特征包括将点式抽吸系统与带有打壳机的氧化铝点式喂料器相结合。由DPS引起的之前步骤是使所收集的工艺气体改变组分和升高温度。由DPS收集的气体将包含更少的“漏气”，因而具有浓度较高的危险气体(氟化物、SO_X和CO₂)。这将会减轻氟化物回收和SO_X去除。目的在于将CO₂的浓度增加到可利用商业可用的CO₂洗涤技术来去除CO₂的水平。再者，由于空气量较少和在喂料点正上方的安装，所收集的离开气体与常规的工艺气体相比具有升高的温度，这增加热交换的潜能。

对于本领域技术人员来说应当清楚的是，工艺气体收集罩可被定制成用于任何种类的点式喂料器，而且还被布置在喂料器附近，而无需成为喂料器的一体部分。

在图1的管2中的抽吸还可被分成能够调节的两个独立的抽吸流动，其中来自内壁14、外壁13之间的空间11的抽吸与罩4内部12处的抽吸可以独立地调节(还参见图4)。

抽吸罩4的内壁14可以是实心的或者穿孔的，也就是说，设置为有孔的或者没有孔的(未示出)。另外，抽吸罩4的壁可向外成角度，以使得抽吸速度矢量可向下朝向壳成0-180度之间的任何角度。

在附图5a中，以横截面图的方式公开了与点式喂料器(PF)相结合的DPS的第二实施例。

在这个实施例中，示出了一个成形为矩形套的内壁28和也成形为矩形套的外壁26。内外壁之间的空间通过开口15形成介于两壁之间的抽吸空间。内壁比外壁更近地朝向壳延伸，并且具有抽吸开口16。进一步地，还示出了氧化铝喂料管23、23’、抽吸管22、气动缸21和打壳机(棒)27。

图5b公开了如图5a所示的DPS围绕其纵轴线旋转90度的侧视图。在这个视图中，示出了外壁26、出口22和22’和集管板(manifoldplate)30。集管板在图5c中以放大图的方式更详细地示出。集管板的用途在于通过出口22、22’将抽吸均匀地分布到内外壁之间的空间。这可以通过设置穿过集管板的适当开口O、O’、O”、O”’或者狭缝来实现。集管板还具有用于氧化铝喂料管23’的开口和用于点式喂料器PF的一个柄部的开口。

进一步地，外壁26的下部部分可以设有发散的导流器(未示出)。导流器可表征为在壁部所有侧面的平板形部分，并且优选地与水平面成角度β。导流器的用途是协助引导抽吸到气体罩中的气体的流动。角度β优选地大约为30°-60°。

进一步地，在罩的内部部分可设置尘土捕获器29(如图5a)，以避免氧化铝和其它特定的成分跟随被抽出的离开气体进入气体排出系统中。在这个实施例中的尘土捕获器可表征为在内壁中的一个或者多个狭槽29，就是说，壁将双壁之间的空间与抽吸罩的内部空间分开。优选地，狭槽布置为靠近罩内部空间的上壁，通过这样的方式，当对环形空间施加抽吸时，将会有通过所述狭槽的气体抽吸。通过这种方式，含有特定物质并且进入罩内部空间的气体将被加速并且撞到罩的“顶部”上，并且向下掉落至壳或者向下掉落至位于罩下面的喂料孔。

进一步地，狭槽的有效气流开口可被设计成使得内壁与外壁之间的空间的抽吸也会在由内壁限定的空间内产生适当的抽吸，从而限定入口15与入口16的抽吸速率之间的关系。

优选地，内壁和外壁之间的横截面面积在来自第二入口15的流下游增加，从而降低气体速率。

抽吸罩优选地放置在离壳一距离处，从而在更换阳极期间允许阳极从它下面通过。有利地，根据抽吸速率，罩被放置在离壳最小的距离处。优选地，该距离大约为10mm到100mm。

该距离不得不考虑氧化铝/阳极覆盖料(ACM)的约7米/秒的拾取速率，因此，罩与壳顶部之间的所述距离应当确保没有达到壳表面处的速率水平。

DPS的该实施例被设计成通过物理手段尽可能多地将要被抽出的热气体与打壳机的技术部件分隔开，从而对打壳机的重要部件带来尽可能小的热应力。

在图6中，公开了从电解池上部结构内部利用传统的废气收集装置的电解池中CO₂浓度的图示，

在图7中，公开了CO₂浓度在变化的条件下从左边的“正常”到右边的“纯DPS收集”的图示。

图8是从上面看的、基于电解池中的5个DPS单元的电解池中的示意性流动图案。箭头指示了壳上方的气体流动图案，其很清楚地指向各独立的抽吸点。

通过这种方式，可能会收回在电解池中析出的工艺气体中的大部分。另外，通过在罩所位于的壳的正上方提取相当大量的气体，电解池上部结构内的球形气体流动图案将以正面的方式受到影响。这将参照图9和10作进一步的解释。

在图9中，示出了在电解池上部结构的顶部中排出(“E”)工艺气体的情况下公知类型的电解池内的压力分布/气体流动。在这样的布置中，会有操纵着电解池内部的气体流动图案的烟囱效应以及气体在电解池的顶部被抽吸的事实。

在该图中，电解池处于正常操作模式下，其中电解池上部结构闭合，并且所有盖子都关闭。

在图10中，显示了根据本发明在借助于五个DPS单元而不是在上部结构的顶部抽吸来排出(“E”)工艺气体的情况下电解池内的压力分布。与图9一样地，电解池处于正常操作模式下，其中电解池上部结构闭合。

在一个实施例中，依据本发明的CO₂捕获和存储可通过如下步骤来实施：

1)电解池CO₂的产生

2)收集具有高CO₂含量的废气

3)所述气体的热回收

4)预洗涤

5)气体供给其它工艺和/或将气体供给CO₂洗涤器

6)从洗涤器引导出已净化的气体，将CO₂引导至加压站

7)将液化的CO₂输送至存储装置。

Claims (32)

1.一种用于收集来自生产金属的电解工艺的热气体的收集装置，所述收集装置包括位于气体析出区域上方的收集罩（4），

其特征在于，收集罩（4）具有至少两个用于收集气体的入口，其中，一个内部的第一入口（12；16）被第二入口（11；15）包围。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，收集罩（4）制成为双壁构造，一内壁（14；28）和一外壁（13；26），其中第二入口（11；15）由所述双壁之间的限定空间表示。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述内壁（14；28）和所述外壁（13；26）之间的横截面区域在来自第二入口（11；15）的流下游是增加的，从而使气体速率减小。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，内壁（28）比外壁（26）延伸更靠近气体析出区域。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，内壁（28）在其上部部分具有至少一个狭槽（29），从而允许气体从第一入口流向双壁之间的空间。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，外壁的下部部分相对于内壁向外发散。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，气体流经第一入口（12；16）的速率不同于气体流经第二入口（11；15）的速率。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，气体流经第一入口的速率低于气体流经第二入口（11；15）的速率。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述收集装置结合到设有打壳机（27）的点式喂料器（PF）中。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述收集装置位于由点式喂料器的打壳机（27）所产生的一个喂料孔（H）上方。

11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述收集装置位于由点式喂料器的打壳机（27）所产生的一个喂料孔（H）上方，并且在壳（C）上方10-1000mm处。

12.根据权利要求9-11中任一项所述的装置，其特征在于，喂料发生在收集罩（4）内部和/或附近。

13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在正常操作期间，所有工艺气体都能通过所述收集装置以适当的抽吸效率收集，而在电解池的上部结构中没有聚集任何其它气体。

14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在氧化铝喂料期间，收集罩内的抽吸能像正常情况一样地进行。

15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在氧化铝喂料期间，收集罩内的抽吸能被阻塞。

16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所收集的废气能用于热回收。

17.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所收集的废气能被净化以分离出尘土和气体。

18.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，收集罩（4）的形状是圆形的、椭圆形的、正方形的或长方形的。

19.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，收集罩（4）的形状被优化以用于必需的抽吸量。

20.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述收集装置能够与标准操作期间使用的独立的气体收集系统相组合。

21.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电解工艺生产铝或其它金属。

22.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述收集装置与电解池上部结构内的隔热的废气收集系统/管连接。

23.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，从所收集的废气分离出的气体是HF蒸气、SO₂蒸气和CO₂蒸气。

24.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，收集罩（4）的形状是锥形的。

25.根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述标准操作是阳极更换和金属出炉。

26.一种用于利用如权利要求1-25中任一项所述的收集装置来收集来自电解工艺的热气体的方法，其特征在于，很近地邻近壳（C）收集气体；工艺气体的组分包括至少0.5%-10%的CO₂。

27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，很近地邻近壳（C）中的喂料孔（H）收集气体。

28.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，废气的温度大于100℃。

29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，废气的温度大于150℃。

30.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，通过热交换装置从废气中提取热。

31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述热交换装置是排出气热交换器。

32.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，在下游将废气分离成富含CO₂的组分。