DE60202470T2

DE60202470T2 - Verfahren und vorrichtung zum transport von gas

Info

Publication number: DE60202470T2
Application number: DE60202470T
Authority: DE
Inventors: Odd Strand; Odd Bjarno; Lars-Erik Johansson
Original assignee: Alstom AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2001-06-25
Filing date: 2002-06-24
Publication date: 2005-12-29
Also published as: WO2003001106A8; IS7091A; US20040161343A1; DE60202470D1; BR0210660A; CN1520501A; RU2004101961A; NO314469B1; DE60202470T9; ES2235043T3; BR0210660B1; EP1399690B1; EP1399690A1; AU2002306031B2; CA2451861C; NO20013188D0; US6994527B2; IS2022B; CN1279306C; ATE286228T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansaugen von Gas von mehreren Punkten und den Abtransport des Gases von diesen Punkten.
Allgemeiner Stand der Technik
Während der elektrolytischen Produktion von Aluminium, wie beispielsweise mittels des Hall-Heroult-Verfahrens, bei dem Aluminium durch Reduzieren von Aluminiumoxid in einer Elektrolysezelle gewonnen wird, in der sich schmelzflüssiger Elektrolyt in Form eines fluoridhaltigen Minerals befindet und in den das Aluminiumoxid eingeleitet wird, entstehen Prozessgase, die fluoridhaltige Substanzen wie beispielsweise Fluorwasserstoff und fluorhaltigen Staub umfassen. Da diese Substanzen extrem umweltschädlich sind, müssen sie abgetrennt werden, bevor die Prozessgase ins Freie abgelassen werden können. Gleichzeitig ist die fluorhaltige Schmelze für den Elektrolyseprozess unverzichtbar, und es ist wünschenswert, die Verbindungen zurückzugewinnen, um sie in die Elektrolyse zurückzuleiten. Diese Rezirkulation kann durch Adsorption der fluorhaltigen Substanzen auf einem teilchenförmigen Adsorbens erfolgen.
Das System zur Rückgewinnung der Fluoridverbindungen umfasst ein Filtersystem, das in einem geschlossenen System enthalten ist. Es ist wichtig, dass der Transport der Gase von der Aluminiumproduktion zu dem Filtersystem stabil ist. Dieser Transport erfolgt über Gaskanäle, wobei die Gase mittels großer Gebläse durch die Gaskanäle, die Hauptkanäle und Nebenkanäle umfassen, zum Filtersystem transportiert werden. Für jede Aluminiumproduktionszelle wird ein Nebenkanal in den Hauptkanal eingeführt. Die Querschnittsfläche des Hauptkanals vergrößert sich allmählich mittels Diffusoren in dem Maße, wie die Gasmenge zunimmt. Es ist sowohl für den Prozess als auch für die Umwelt sehr wichtig, dass die Gasverteilung so gleichmäßig wie möglich ist, was traditionell dadurch erreicht wird, dass das Gas im Nebenkanal zunehmend stärker gedrosselt wird, je näher sich der Nebenkanal bei den Ansauggebläsen befindet. Das Drosseln stellt einen reinen Energieverlust durch einen Druckabfall dar. Durch die vorliegende Erfindung wird dieser Druckabfall deutlich verringert, was zu einem verringerten Gesamtdruckabfall im System beiträgt. Der Gesamtdruckabfall in dem Kanalsystem wird ab dem ersten Ansaugpunkt gemessen. Die Erfindung kann ebenso gut für Gaskanäle verwendet werden, wo unterschiedliche, aber kontrollierte Gasmengen von jedem Ansaugpunkt abtransportiert werden müssen.
In der Aluminiumindustrie ist es bekannt, die Nebenkanäle in einem Winkel von 3–90° in den Hauptkanal einzuführen. Die Winkelabweichung verursacht Schlupf und Turbulenzen hinter der Gaseinleitungszone. Es ist ebenso bekannt, das Gas mit einer Geschwindigkeit durch den Nebenkanal zu transportieren, die geringer ist als die Geschwindigkeit im Hauptkanal. Das bedeutet, dass das Gas im Hauptkanal das Gas aus dem Nebenkanal beschleunigen muss. Somit verursachen die Winkelabweichung und der Unterschied bei der Geschwindigkeit einen erhöhten Widerstand im Hauptkanal.
Das Kanalsystem trägt zu etwa 50% des Gesamtdruckabfalls in dem System zur Rückgewinnung von Fluoriden bei. Das impliziert, dass eine Verringerung beim Druckabfall hier zu deutlich weniger Betriebskosten für die Anlage führt – ein Ansatzpunkt, der die Grundlage für die vorliegende Erfindung bildet. Die Aluminiumindustrie wird hier nur beispielhaft angeführt, obgleich sie ein bevorzugtes technisches Gebiet darstellt.
EP 0 331 062 offenbart ein Verfahren zum Transport von Gasen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Aus der Schrift SE 466 837 sind Nebenkanäle bekannt, bei denen das Gas parallel zum Gasstrom des Hauptkanals in den Hauptkanal eingeleitet wird. In dem Patent ist es aber wichtig, dass die Geschwindigkeit des Gases im Hauptkanal und im Nebenkanal im Prinzip die gleiche ist, so dass der Widerstand sowohl im Hauptkanal als auch im Nebenkanal gering ist.
Es wurde nun festgestellt, dass eine deutliche Verringerung des Druckabfalls im Gaskanal – und folglich eine Senkung des Energieverbrauchs für den Gastransport – erreicht werden kann, indem man das Gas in einer neuartigen Weise aus dem Nebenkanal einleitet. Das Gas wird, wie in der Schrift SE 466 837, in einer Strömungsrichtung in den Hauptkanal geleitet, die zur Strömungsrichtung des Gases im Hauptkanal parallel verläuft. Im ersten Abschnitt des Nebenkanals ist die Strömungsgeschwindigkeit des Gases geringer als im Hauptkanal. Wenn die Richtung des Gasstromes parallel zur Richtung des Gasstromes im Hauptkanal eingestellt wurde, wird vor dem Ausgang des Nebenkanals mittels einer Düse der Querschnitt verengt, so dass das Gas beschleunigt und mit einer Geschwindigkeit in den Hauptkanal eingeleitet wird, die höher ist als die Geschwindigkeit des Gases im Hauptkanal. Durch dieses Verfahren werden der Druckabfall im Hauptkanal und der Gesamtenergiebedarf für den Gastransport deutlich verringert. Ein gleichmäßiges Ansaugen aus jeder Elektrolysezelle wird durch Justie ren der Düse des Nebenkanals gewährleistet, die beispielsweise mit einer verstellbaren Klappe versehen sein kann. Die beschriebenen Beispiele betreffen den Transport von Prozessgasen in der Aluminiumindustrie, doch dem Fachmann leuchtet ein, dass das gleiche System zum Transport von Gas auf allen Gebieten verwendet werden kann, wo Gas von mehreren Punkten abtransportiert werden muss, beispielsweise andere Branchen in der Metallindustrie, Absaugvorgänge in Laboratorien, Belüftungssystemen usw. Des Weiteren ist dem Fachmann klar, dass die Erfindung ebenso Verwendung finden kann, wo unterschiedliche, aber kontrollierte Gasmengen von jedem Ansaugpunkt entlang eines Kanals abtransportiert werden müssen.
Kurzdarstellung der Erfindung
Gemäß der Erfindung wurde ein Verfahren entwickelt, um einen Nebenkanal zum Transport von Gas mit einem Hauptkanal dergestalt zusammenzuführen, dass eine deutliche Verringerung (10–90%) des Druckabfalls beim Gastransport erreicht wird. Das Gas wird durch den ersten Abschnitt des Nebenkanals mit einer Geschwindigkeit geleitet, die geringer ist als die Geschwindigkeit des Gases im Hauptkanal. Vor dem Einleiten in den Hauptkanal wird die Richtung des Gasstromes durch den Nebenkanal gegebenenfalls so korrigiert, dass dieser im Moment des Eintretens in den Hauptkanal parallel zum Gasstrom im Hauptkanal verläuft. Bevor das Gas in den Hauptkanal eintritt, wird der Querschnitt des Nebenkanals verengt, und das Gas wird auf eine Strömungsgeschwindigkeit beschleunigt, die 10–100% höher ist als die Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Hauptkanal. Dadurch wird ein Schubimpuls für das Gas im Hauptkanal bewirkt. Mittels dieses Verfahrens wird der Druckabfall beim Gastransport deutlich verringert und eine entsprechende Kostensenkung erreicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Figuren zeigen Beispielskizzen, welche die Erfindung in keiner Weise einschränken.
1 zeigt eine Planansicht eines Hauptkanals (A) mit Nebenkanälen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 in der Draufsicht. Zur besseren Veranschaulichung ist der Kanal zwischen den Nebenkanälen 5 und 6 geteilt, doch in Wirklichkeit ist er durchgehend.
2 zeigt ein Detail der Einleitung eines Nebenkanals 100 in den Hauptkanal A in der Draufsicht.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Gemäß der Erfindung wurde ein Verfahren entwickelt, um die Nebenkanäle 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 in einen Hauptkanal A für den Transport. von Gas einzuführen und mit diesem Hauptkanal zusammenzuführen, um eine deutliche Verringerung (10–90%) des Druckabfalls beim Gastransport zu erreichen.
Der Energieverbrauch im Zusammenhang mit dem Gastransport ist proportional zur insgesamt transportierten Gasmenge aus allen Nebenkanälen und zum Widerstand, der beim Transport zu überwinden ist, d.h. zum Druckabfall über die Transportstrecke ab dem ersten Ansaugpunkt: P = ΔPTot·Q (I)wobei
P = die Leistung in W
ΔP_Tot = der Druckabfall über die Transportstrecke in Pa
Q = die transportierte Gasmenge in m³/s.
Bei einer bestimmten Gasmenge besteht die einzige Möglichkeit zur Verringerung des Energiebedarfs darin, den Widerstand während des Transports zu verringern.
Mittels der Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann ΔP_Tot deutlich verringert werden, bevorzugt um wenigstens 30%, und ganz besonders bevorzugt um wenigstens 60%.
Eine bevorzugte Ausführungsform betrifft speziell die Produktion von Aluminium. Das Verfahren kann jedoch für alle Entlüftungsprozesse Anwendung finden, beispielsweise für industrielle Entlüftungen in der Metallindustrie, für die Entlüftung in Laboratorien, für Vorrichtungen zum Austragen von Staub und Dämpfen, für Ventilationssysteme usw. Wird die Ausführungsform in diesen Bereichen angewendet, kann sie zwei oder mehr Nebenkanäle umfassen, vorzugsweise wenigstens fünf Nebenkanäle.
Beim bevorzugten, aber nicht ausschließlichen Verfahren stehen Aluminiumproduktionszellen in einer Reihe, wobei sich in der Regel 5 bis 40 Aluminiumproduktionszellen in einer Reihe befinden, wobei mit der vorliegenden Erfindung aber auch deutlich mehr Aluminiumproduktionszellen möglich sind, weil der zusätzliche Widerstand, der durch weitere Aluminiumproduktionszellen entsteht, vernachlässigt werden kann. Von jeder Zelle gehen ein oder mehrere Nebenkanäle 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 zum Absaugen der Prozessgase ab, wobei diese Nebenkanäle mit dem Hauptkanal A verbunden sind. Über die ersten fünf Nebenkanäle 1, 2, 3, 4, 5 hinweg sind sowohl der Hauptkanal als auch die Nebenkanäle rechteckig, während über die anderen Nebenkanäle hinweg sowohl der Hauptka nal als auch die Nebenkanäle kreisrund sind. Über die ersten fünf Nebenkanäle hinweg wird die Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Hauptkanal allmählich auf die Endgeschwindigkeit im Hauptkanal (v_g) erhöht.
An der ersten Zelle umfasst der Hauptkanal lediglich den Nebenkanal (1), der auf die gewünschte Strömungsrichtung eingestellt wird. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases im ersten Abschnitt A1 des Hauptkanals ist geringer als v_g, bevorzugt wenigstens 10% geringer als v_g, besonders bevorzugt wenigstens 20% geringer als v_g, typischerweise wenigstens 25% geringer als v_g. Über die ersten Nebenkanäle hinweg wird die Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Hauptkanal erhöht, bis sie allmählich gleich v_g wird.
Nebenkanal 2 ist in einem Winkel gebogen, der notwendig ist, um parallel in den Hauptkanal A eingeführt und mit diesem Hauptkanal zusammengeführt zu werden, wobei die Höhe des Hauptkanals konstant gehalten wird, während er gleichzeitig verbreitert wird. Der Nebenkanal führt dann weiter in den Hauptkanal hinein und ist im Hauptkanal zusätzlich so weit gebogen, dass die Richtung des Gasstromes, der den Nebenkanal verlässt, parallel zur Strömungsrichtung des Gases im Hauptkanal verläuft. Hinter der Rohrbiegung wird der Querschnitt des Nebenkanals verengt, beispielsweise durch Verstellen einer verstellbaren Klappe 101 in der Düse des Nebenkanals, wodurch das Gas eine Geschwindigkeit erreicht, die höher ist als die Geschwindigkeit des Gases im Hauptkanal an derselben Stelle, bevorzugt wenigstens 2% höher, besonders bevorzugt wenigstens 5% höher, ganz besonders bevorzugt 7% höher, typischerweise 10–20% höher als die Geschwindigkeit des Gases im Hauptkanal an derselben Stelle.
Die Nebenkanäle 3–5 sind im Wesentlichen wie der Nebenkanal 2 konstruiert, jedoch ist der Querschnitt weiter verengt, um eine höhere Beschleunigung zu erreichen.
Ab dem Nebenkanal 6 sind die Nebenkanäle 6, 7 und 8 im Prinzip einander identisch, und die Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Hauptkanal befindet sich auf dem gewünschten Wert v_g. Die Vergrößerung des Querschnitts im Hauptkanal wird durch einen vergrößerten Querschnitt 102 vor der Einleitung des Nebenkanals realisiert, damit die Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Hauptkanal nach dem Nebenkanal bei v_g bleibt, während der Nebenkanal 100 gerade in den Hauptkanal A eingeführt wird. Der Nebenkanal 100 ist in einem Winkel von 0–45° gebogen, bevor er in den Hauptkanal A einmündet, wo die Konstruktion des Nebenkanals für die restliche Justierung des Gasstromes sorgt. Wenn das Gas aus dem Nebenkanal austritt, so ist die Strömungsgeschwindigkeit des Gases höher als v_g, typischerweise 10–100% höher als v_g.
Es wird des Weiteren davon ausgegangen, dass das Verfahren auf allen Anwendungsgebieten eingesetzt werden kann, wo Gas von verschiedenen Punkten abtransportiert werden muss, ohne diese Anwendungsgebiete hier im Einzelnen anzuführen.

Claims

Verfahren zum Transport von Gas in einem Hauptkanal mit mehr als zwei Nebenkanälen, wobei a) das Gas durch die Nebenkanäle (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) in den Hauptkanal (A) in einer Richtung parallel zur Strömungsrichtung im Hauptkanal gebracht wird; dadurch gekennzeichnet, daß b) das Gas im Nebenkanal auf höhere Geschwindigkeit als die Geschwindigkeit des Gases im Hauptkanal gehalten wird; c) dem Gas im Hauptkanal wird ein Impuls hinzugefügt, indem überschüssige Energie des Gases im Nebenkanal zur Beschleunigung des Gases vor der Einleitung in den Hauptkanal genutzt wird.
Vorgang gemäß Anspruch 1, wobei die Gas-Strömungsgeschwindigkeit beim Verlassen des Nebenkanals um 10–100% höher als die Gas-Strömungsgeschwindigkeit im Hauptkanal gehalten wird.
Vorgang gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Gas-Strömungsgeschwindigkeit im Hauptkanal von den ersten Nebenkanälen nach und nach auf die gewünschte Gas-Strömungsgeschwindigkeit gebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Gas-Strömungsgeschwindigkeit aus dem Nebenkanal in den Hauptkanal schrittweise erhöht wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Gas-Strömungsgeschwindigkeit in den Nebenkanälen durch die Stellung einer Klappe (101) in der Düse der Nebenkanäle eingestellt werden kann.
Verfahren gemäß einem der oben aufgeführten Ansprüche, wobei die Gas-Strömungsgeschwindigkeit durch den ersten Teil der Nebenkanäle niedriger als die Gas-Strömungsgeschwindigkeit im Hauptkanal gehalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die Gas-Strömungsgeschwindigkeit durch den ersten Teil der Nebenkanäle um 10–50% niedriger als die Gas-Strömungsgeschwindigkeit im Hauptkanal gehalten wird.
Verfahren gemäß einem der oben aufgeführten Ansprüche, wobei die ersten Nebenkanäle, vorzugsweise die ersten 5 Nebenkanäle, sowie der Hauptkanal, einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, während die weiteren Nebenkanäle und der Hauptkanal in ihrem Bereich einen runden Querschnitt aufweisen.
Verfahren gemäß einem der oben aufgeführten Ansprüche, wobei das durch die Nebenkanäle strömende Gasvolumen mit Drosselventilen genau eingestellt werden kann.
Vorrichtung zum Transport von Gas in einem Hauptkanal (A) mit mehr als zwei Nebenkanälen, wobei a) wenigstens ein Nebenkanal am Hauptkanal (A) parallel zur Gas-Strömungsrichtung im Hauptkanal vorgesehen wird und eine Verkleinerung der Querschnittsfläche darstellt, wobei ein Gasstrom in einer Richtung im Hauptkanal (a) transportiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß b) die Nebenkanäle mit einer Verkleinerung der Querschnittsfläche in Form einer einstellbaren Klappe am Ausgang von jedem Nebenkanal gestaltet sind, wodurch das Gas am Eingang zum Hauptkanal auf eine höhere Geschwindigkeit als die Gas-Strömungsgeschwindigkeit im Hauptkanal gebracht wird. c) die Gestaltung der Nebenkanäle so beschaffen ist, daß dem Gas im Hauptkanal ein Impuls übertragen wird, indem die überschüssige Energie vom Gas im Nebenkanal genutzt wird, um das Gas vor der Einleitung in den Hauptkanal zu beschleunigen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei für die ersten Nebenkanäle, vorzugsweise die ersten 5 Nebenkanäle, der Hauptkanal und die Nebenkanäle Kanäle mit rechteckigem Querschnitt sind, während für die anderen Kanäle sowohl der Hauptkanal wie auch die Nebenkanäle einen runden Querschnitt aufweisen.