CN114892217A - 一种双层密闭铝电解槽高温烟气预热氧化铝原料的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双层密闭铝电解槽高温烟气预热氧化铝原料的系统，包括双层密闭铝电解槽、氧化铝原料预热及烟气净化仓、空气补给装置以及尾气余热回收及净化装置，双层密闭铝电解槽包括槽体、保温绝热盖板以及保温密封罩，保温绝热盖板的下侧为高温烟气区，上侧为低温烟气区，高温烟气区和低温烟气区分别连接高温烟气管和低温烟气管；氧化铝原料预热及烟气净化仓分隔成氧化铝换热筒和硫化物氧化仓，高温烟气管与硫化物氧化仓连通，低温烟气管与氧化铝换热筒的上段连通；所述空气补给装置与硫化物氧化仓连通。采用该系统，改善了烟气余热回收效率低，下料氧化铝温度低，尾气处理负担大、作业环境差的问题，减少了氧化铝结壳，降低了能耗。
Description
技术领域
本发明属于铝电解技术领域，具体涉及一种双层密闭铝电解槽高温烟气预热氧化铝原料的系统。
背景技术
随着铝电解工业的发展，铝电解槽逐渐趋于大型化，单个槽的烟气量越来越大，如何降低铝电解的热损耗、实现烟气的余热回收与净化也逐渐成为重要的课题。再者，铝电解行业作为电力消耗和碳排放的大户，实现铝电解行业节能、清洁的发展对实现碳达峰和碳中和的目标也意义重大。
铝电解热损耗，主要集中在如下方面：1、现有的预焙阳极均采用覆盖料进行保温，保温覆盖料由不同粒度的氧化铝构成，存在无法彻底隔绝空气，保温效果差的情况，造成大量热量损失；2、电解槽整体的密闭性差，导致热烟气逸散的同时，也会因吸入冷空气而使电解槽内烟气温度降低，从而影响烟气处理系统的能量回收率；再者，空气会稀释烟气中有毒氟化物和固体微粒浓度，增大烟气的总处理量，从而给烟气处理系统增加负担和能耗。
在铝电解过程中，用于电化学反应的能量仅占输入能量的40％-50％，其余的均转化为热量逸散出去，其中烟气带走的热量占整个电解槽能量总支出的15％-30％。传统的烟气热回收方式多为单管道统一收集方式，烟气经过电解槽外的管道和热交换器的运输和处理，热损耗较大，收集的烟气温度低，通常仅为120℃左右，这大大影响了热量回收效率。同时，传统的下料方式会使得氧化铝进入电解槽时的温度较低，加热氧化铝至相变温度将会消耗电解质大量热量，使得电解质无法提供保证氧化铝持续溶解的反映热焓，这会导致氧化铝结壳，因此传统工序包括扒料、打壳、提出残极、捞块、装新极、盖料、清理残极等，这些工序的工作环境温度高，工作环境恶劣，再者，电解质暴露在空气中，散热量极大，此外，电解槽内含F烟气排放至工作环境中，会污染环境。
发明内容
本发明旨在解决铝电解行业中现有的技术问题之一。基于此，本发明的目的在于提供一种双层密闭铝电解槽高温烟气预热氧化铝原料的系统，用来替代传统的非密闭条件下的烟气收集和氧化铝原料预热系统，改善其烟气余热回收效率低，下料氧化铝温度低，尾气处理负担大的问题，减少氧化铝结壳，降低能耗，改善作业环境。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种双层密闭铝电解槽高温烟气预热氧化铝原料的系统，包括双层密闭铝电解槽、氧化铝原料预热及烟气净化仓、空气补给装置以及尾气余热回收及净化装置，所述双层密闭铝电解槽包括槽体、构成槽体第一层密封的保温绝热盖板以及构成槽体第二层密封的保温密封罩，所述保温绝热盖板与槽体围成的空置区形成高温烟气区，所述保温密封罩与保温绝热盖板围成的空置区形成低温烟气区，所述高温烟气区和低温烟气区分别向外延伸出高温烟气管和低温烟气管；所述氧化铝原料预热及烟气净化仓通过复合滤板层分隔成上下布置的氧化铝换热筒和硫化物氧化仓，所述高温烟气管与硫化物氧化仓连通，所述低温烟气管与氧化铝换热筒的上段连通；所述氧化铝换热筒顶部的一侧通过管道与尾气余热回收及净化装置连接，氧化铝换热筒底部的一侧设置有下料管，所述空气补给装置与硫化物氧化仓连通。
进一步，所述高温烟气管和低温烟气管上分别设置有高温烟气抽吸控制装置和低温烟气抽吸控制装置。
进一步，还包括氧化铝原料补给装置，所述氧化铝原料补给装置通过管道与氧化铝原料预热及烟气净化仓的顶部连接。
进一步，还包括烟气成分与温度检测装置，所述氧化铝换热筒顶部的一侧通过管道依次与烟气成分与温度检测装置、尾气余热回收及净化装置连接，所述烟气成分与温度检测装置与空气补给装置、高温烟气抽吸控制装置、低温烟气抽吸控制装置以及氧化铝原料补给装置之间电连接。
进一步，所述空气补给装置包括气泵、大球仓和小球仓，所述气泵、大球仓、小球仓和硫化物氧化仓之间通过管道依次连通，所述小球仓与硫化物氧化仓之间的管道上设置有阀门Ⅰ，所述大球仓与小球仓之间的管道上设置有阀门Ⅱ。
进一步，所述复合滤板层包括钢架、设置在钢架上的隔层以及设置在隔层上的滤网。
进一步，所述隔层包括两层水平错开的网孔层。
进一步，所述尾气余热回收及净化装置包括热交换器、除尘器、脱硫装置、水热利用模块以及储水器，所述热交换器的烟气管路的进气端通过管道与烟气成分与温度检测装置连接，出气端通过管道与除尘器的进气端连接，所述除尘器的出气端通过管道与脱硫装置连接，除尘器的底部设置有集尘室；所述水热利用模块、储水器以及热交换器的水流管路之间通过管道连接而构成循环水流体系。脱硫装置采用石灰石-石膏脱硫方法。
进一步，所述低温烟气管与氧化铝换热筒的连接处形成U型管段。
进一步，所述下料管上设置有下料控制器。
本发明的有益效果：
本发明的双层密闭铝电解槽高温烟气预热氧化铝原料的系统，一方面，采用双层密闭铝电解槽，会减少烟气的泄漏量，提高了烟气余热能量回收的效率，改善了电解车间的工作环境，再者，烟气的稀释率较低，烟气的总处理量变化不大，减小了烟气后处理能耗；另一方面，将电解槽烟气区分隔为高温烟气区和低温烟气区，通过从不同的高度通入高低温烟气，实现对高低温烟气的分级处理，通过低温烟气对上部的氧化铝原料预热，预热后的氧化铝原料下移，经转化后的高温烟气继续加热，上部氧化铝在不断的下移中温度不断升高，最终达到500-700℃的入槽温度后经下料管进入电解槽。该法能充分利用烟气中的余热，将氧化铝加热到较高的温度，改善了槽内电解质的温度均匀性，防止电解质结壳，省去传统工艺中打壳、扒料清理残极等操作，降低车间操作工人的劳动强度。此外，硫化物氧化仓能够将烟气中的COS氧化为SO2，避免了后续处理尾气的过程中湿法和干法净化对COS无效的问题，同时提供了与之配套的空气补给装置，解决了硫化物氧化仓中压力较大，空气输入困难的问题。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明的氧化铝原料预热及烟气净化仓、空气补给装置以及尾气余热回收及净化装置连接的结构示意图；
图2为本发明的双层密闭铝电解槽的结构示意图；
图3为本发明的复合滤板层的分解示意图；
图4为本发明的复合滤板层的装配图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。显然,所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。
如图1-4所示，本实施例的双层密闭铝电解槽高温烟气预热氧化铝原料的系统，包括双层密闭铝电解槽、氧化铝原料预热及烟气净化仓、空气补给装置、氧化铝原料补给装置15、烟气成分与温度检测装置16以及尾气余热回收及净化装置；所述氧化铝原料预热及烟气净化仓通过复合滤板层9分隔成上下布置的氧化铝换热筒14和硫化物氧化仓3，所述氧化铝换热筒14顶部的一侧通过管道依次与烟气成分与温度检测装置16、尾气余热回收及净化装置连接，所述氧化铝换热筒14底部的一侧设置有下料管，所述下料管上设置有下料控制器2；所述氧化铝原料补给装置15通过管道与氧化铝原料预热及烟气净化仓的顶部连接。
所述双层密闭铝电解槽包括槽体、构成槽体第一层密封的保温绝热盖板23以及构成槽体第二层密封的保温密封罩24；所述槽体内设置有阳极27，所述阳极连接有阳极导杆30，所述保温绝热盖板23设置在熔盐上方0.5m-1m处，保温绝热盖板分为多个部分，各部分可独立拆卸，使用耐火材料制成，同时具有较高机械强度，换极操作时，通过阳极导杆将对应部分和阳极提出。所述保温密闭罩24由多个部分组成，各部分之间密封连接并且设置有耐高温密封垫圈。保温绝热盖板和保温密封罩分别对应设置有与高温烟气管、低温烟气管和下料管相匹配的缺口，并以石棉密封槽体四周，以保证槽体的密闭性。
所述保温绝热盖板与槽体围成的空置区形成高温烟气区25，所述保温密封罩与保温绝热盖板围成的空置区形成低温烟气区26，所述高温烟气区和低温烟气区分别向外延伸出高温烟气管29和低温烟气管28，所述氧化铝原料预热及烟气净化仓、高温烟气管和低温烟气管用保温隔热材料包覆。所述高温烟气管与硫化物氧化仓3连通，所述低温烟气管与氧化铝换热筒的上段连通，所述高温烟气管和低温烟气管上分别设置有高温烟气抽吸控制装置1和低温烟气抽吸控制装置12。所述空气补给装置与硫化物氧化仓连通，空气补给装置包括气泵8、大球仓7和小球仓4，所述气泵、大球仓、小球仓和硫化物氧化仓之间通过管道依次连通，所述小球仓与硫化物氧化仓之间的管道上设置有阀门Ⅰ5，所述大球仓与小球仓之间的管道上设置有阀门Ⅱ6。其中高温烟气中的硫化物浓度较高，且在隔绝空气的条件下，烟气中的硫化物多以COS的形式存在，后续尾气净化的干法净化和湿法净化对除COS并无效果；此外，高温烟气输送至硫化物氧化仓有较高的流速，且上部有氧化铝阻隔，因此在硫化物氧化仓内就会有较大气压，空气输入相对困难。本申请中，通过特设的空气补给装置，可以在相对输送低压下向硫化物氧化仓内引入少量空气(有利于节约烟气脱硫能耗)，使烟气中的COS与O2反应转化为SO2，具体操作方法如下:
1)关闭阀门Ⅰ、阀门Ⅱ，通过气泵以较小的功率持续将空气鼓入大球仓，然后打开阀门Ⅱ，使大球仓和小球仓气压平衡，即空气充满大、小球仓。
2)关闭阀门Ⅱ，打开阀门Ⅰ，使得小球仓和硫化物氧化仓气压1平衡，即高温烟气和空气混合，此时气泵可视情况调大功率。
3)关闭阀门Ⅰ，打开阀门Ⅱ，由于此前小球仓和硫化物氧化仓中的压强一致，依据理想气体方程：p＝nRT/V，大球仓的温度相较小球仓的温度低的多(大球仓内为空气，小球仓内为高温烟气与空气混合物)，体积大的多，两者平衡，使小球仓的气压接近大球仓原本的压强，此时气泵始终可以保持较小的功率运行，即可不断鼓入空气，小球仓中的烟气被充分稀释。
4)重复操作，即可不断使高温烟气中硫化物氧化；具体应用过程中，依据硫化物氧化仓实际压强和气泵功率，合理设计大、小球仓的体积比，即可得到合理的运行状况。
高温烟气经氧化后通过复合滤板层9进入氧化铝换热筒14，复合滤板层起分隔、承重和防渗漏的目的。有部分烟气中的固体颗粒发生沉降留在硫化物氧化仓的底部，将其返回氧化铝换热筒。所述复合滤板层包括钢架31、设置在钢架上的隔层32以及设置在隔层上的滤网33，所述钢架由耐高温工字钢焊接而成，所述隔层包括两层水平错开的网孔层，网孔层的孔径为2cm左右，通过两层交错叠加，将孔径面积缩小至原来的1/4，孔径可依据实际氧化铝重量变化，两层叠加可以提高隔层的强度，减小孔径，支撑滤网。所述滤网的孔径小于最小氧化铝颗粒粒径，应为35-40μm。
所述氧化铝换热筒14是直接加热氧化铝和除氟的容器，低温烟气通过低温烟气管输送至氧化铝换热筒，所述低温烟气管与氧化铝换热筒的连接处形成U型管段11，防止氧化铝倒吸堵塞。高、低温烟气从不同的高度进入并对氧化铝加热，实现对高、低温烟气余热的分级利用。通过低温烟气对上部的氧化铝原料预热，形成低温氧化铝区13，预热后的氧化铝原料下移，经氧化后的高温烟气继续加热，形成高温氧化铝区10，上部氧化铝在不断的下移中温度不断升高，最终达到500-700℃的入槽温度后经下料管进入电解槽。同时，在此过程中氧化铝原料可以吸附烟气中的氟化物，达到除氟的目的。通过下料控制器智能控制下料的间隔时长，通过下料管升降装置将下料管放下，将经过加热和载氟后的氧化铝放入电解槽。高温氧化铝区温度范围为400-700℃，低温氧化铝区温度范围为200-400℃。
所述烟气成分与温度检测装置16与空气补给装置、高温烟气抽吸控制装置、低温烟气抽吸控制装置以及氧化铝原料补给装置之间电连接。经初步余热回收和净化后的尾气进入烟气成分和温度测量装置，烟气成分与温度检测装置的检测内容包括尾气氟化物、硫化物浓度和温度，通过对尾气中硫化物、氟化物和尾气温度进行监控，调节氧化铝原料的添加量、高、低温烟气的导入量和硫化物氧化仓的空气补给量，使此过程中烟气量和氧化铝量达到动态平衡，实现最大程度的净化和余热回收。即当检测到氟化物浓度较高或尾气温度过高时，可以适当增加氧化铝原料的添加量，或者通过低温烟气抽吸控制装置来减小低温烟气的流量；当检测到COS浓度较高时，可以适当增加硫化物氧化仓中的空气补给量。有必要说明的是：烟气成分与温度检测装置与空气补给装置、高温烟气抽吸控制装置、低温烟气抽吸控制装置以及氧化铝原料补给装置之间的控制逻辑和电路为现有技术，此不再赘述。
所述尾气余热回收及净化装置包括热交换器19、除尘器21、脱硫装置22、水热利用模块17以及储水器18，所述热交换器19的烟气管路的进气端通过管道与烟气成分与温度检测装置16连接，出气端通过管道与除尘器21的进气端连接，所述除尘器的出气端通过管道与脱硫装置22连接，除尘器的底部设置有集尘室20；所述水热利用模块、储水器以及热交换器的水流管路之间通过管道连接而构成循环水流体系。脱硫装置采用石灰石-石膏脱硫方法。
换热完成的尾气温度约为100-200℃，具有较高的热回收价值。故尾气检测后进入热交换器，热交换器内的水流管路与烟气管路交错排列。尾气从热交换器的上部进入，自上而下流动，水流自下而上运动，气液逆向交错流动，提高尾气的热回收效率。加热后的水流进入水热利用模块，可用于淋浴或者供暖，水流经热回收后进入储水器，然后再进入热交换器换热，完成一个循环。
经过进一步热回收的尾气进入除尘器，除尘器中竖直排列若干层滤布。尾气从除尘器的下方进入，由于固体微粒的重力作用，部分自重较大的颗粒在管道出口处即沉降，掉入集尘室。部分自重较小的颗粒随气流上升至滤布表面，颗粒在滤布表面形成2-5mm的粉饼层，进一步提高了滤布的过滤效果。粉饼层表面附着的固体颗粒一部分脱落至集尘室，最终将集尘室中的颗粒引入氧化铝热交换筒。
除尘后的尾气进入脱硫装置，通过石灰石-石膏法净化尾气中的SO2，利用碱性石灰液向下喷淋，烟气自下而上流动，通过气液逆向流动，增大接触面积，充分吸收烟气中SO2。石灰液吸收SO2后反应生成副产品石膏。此方法可除去烟气中的酸性氧化物SO2并进一步除去HF。经处理后的尾气可进入排放系统。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种双层密闭铝电解槽高温烟气预热氧化铝原料的系统，其特征在于：包括双层密闭铝电解槽、氧化铝原料预热及烟气净化仓、空气补给装置以及尾气余热回收及净化装置，所述双层密闭铝电解槽包括槽体、构成槽体第一层密封的保温绝热盖板(23)以及构成槽体第二层密封的保温密封罩(24)，所述保温绝热盖板与槽体围成的空置区形成高温烟气区(25)，所述保温密封罩与保温绝热盖板围成的空置区形成低温烟气区(26)，所述高温烟气区和低温烟气区分别向外延伸出高温烟气管(29)和低温烟气管(28)；所述氧化铝原料预热及烟气净化仓通过复合滤板层(9)分隔成上下布置的氧化铝换热筒(14)和硫化物氧化仓(3)，所述高温烟气管与硫化物氧化仓连通，所述低温烟气管与氧化铝换热筒的上段连通；所述氧化铝换热筒顶部的一侧通过管道与尾气余热回收及净化装置连接，氧化铝换热筒底部的一侧设置有下料管，所述空气补给装置与硫化物氧化仓连通。
2.根据权利要求1所述的双层密闭铝电解槽高温烟气预热氧化铝原料的系统，其特征在于：所述高温烟气管和低温烟气管上分别设置有高温烟气抽吸控制装置(1)和低温烟气抽吸控制装置(12)。
3.根据权利要求2所述的双层密闭铝电解槽高温烟气预热氧化铝原料的系统，其特征在于：还包括氧化铝原料补给装置(15)，所述氧化铝原料补给装置通过管道与氧化铝原料预热及烟气净化仓的顶部连接。
4.根据权利要求3所述的双层密闭铝电解槽高温烟气预热氧化铝原料的系统，其特征在于：还包括烟气成分与温度检测装置(16)，所述氧化铝换热筒顶部的一侧通过管道依次与烟气成分与温度检测装置、尾气余热回收及净化装置连接，所述烟气成分与温度检测装置与空气补给装置、高温烟气抽吸控制装置、低温烟气抽吸控制装置以及氧化铝原料补给装置之间电连接。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的双层密闭铝电解槽高温烟气预热氧化铝原料的系统，其特征在于：所述空气补给装置包括气泵(8)、大球仓(7)和小球仓(4)，所述气泵、大球仓、小球仓和硫化物氧化仓之间通过管道依次连通，所述小球仓与硫化物氧化仓之间的管道上设置有阀门Ⅰ(5)，所述大球仓与小球仓之间的管道上设置有阀门Ⅱ(6)。
6.根据权利要求5所述的双层密闭铝电解槽高温烟气预热氧化铝原料的系统，其特征在于：所述复合滤板层包括钢架(31)、设置在钢架上的隔层(32)以及设置在隔层上的滤网(33)。
7.根据权利要求6所述的双层密闭铝电解槽高温烟气预热氧化铝原料的系统，其特征在于：所述隔层(32)包括两层水平错开的网孔层。
8.根据权利要求7所述的双层密闭铝电解槽高温烟气预热氧化铝原料的系统，其特征在于：所述尾气余热回收及净化装置包括热交换器(19)、除尘器(21)、脱硫装置(22)、水热利用模块(17)以及储水器(18)，所述热交换器的烟气管路的进气端通过管道与烟气成分与温度检测装置连接，出气端通过管道与除尘器的进气端连接，所述除尘器的出气端通过管道与脱硫装置连接，除尘器的底部设置有集尘室(20)；所述水热利用模块、储水器以及热交换器的水流管路之间通过管道连接而构成循环水流体系。
9.根据权利要求8所述的双层密闭铝电解槽高温烟气预热氧化铝原料的系统，其特征在于：所述低温烟气管与氧化铝换热筒的连接处形成U型管段(11)。
10.根据权利要求9所述的双层密闭铝电解槽高温烟气预热氧化铝原料的系统，其特征在于：所述下料管上设置有下料控制器(2)。
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