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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft die Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse
nach dem Verfahren von Hall und Héroult. Sie betrifft insbesondere
die Behandlung der von den Elektrolysezellen produzierten Abgase.
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Stand der Technik
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Aluminiummetall
wird großtechnisch
durch Schmelzflusselektrolyse nach dem gut bekannten Verfahren von
Hall und Héroult
hergestellt, d. h. durch Elektrolyse von Tonerde, die in geschmolzenem
Kryolith – dem
Elektrolyten – gelöst ist.
Die Elektrolysereaktionen, Sekundärreaktionen und hohen Arbeitstemperaturen
führen
zur Produktion von Abgasen, die vor allem Kohlendioxid, Fluor und
Staub enthalten (Tonerdestaub, Staub aus dem Elektrolytbad, ...).
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Der
Ausstoß dieser
Abgase in die Atmosphäre
wird streng kontrolliert und geregelt, nicht nur hinsichtlich der
Umgebungsatmosphäre
in der Elektrolysehalle aus Gründen
der Sicherheit des in der Nähe der
Elektrolysezellen arbeitenden Personals, sondern auch im Hinblick
auf die Luftverschmutzung. Regelungen mehrerer Staaten zur Luftverschmutzung schreiben
Grenzwerte für
die Abgasmengen vor, die in die Atmosphäre ausgestoßen werden.
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Es
gibt heute Lösungen,
die es gestatten, diese Abgase zuverlässig und zufriedenstellend
einzuschließen,
zu erfassen und zu behandeln. In modernen Hütten werden die Abgase mit
Hilfe einer Zellenkapselung eingeschlossen, durch Absaugen erfasst
und in einer chemischen Behandlungsanlage behandelt, um die fluorierten
Gase durch Reaktion mit "frischem" pulverigen Aluminiumoxid,
d. h. Aluminiumoxid, das nur wenig oder überhaupt kein Fluor enthält, abzufangen.
Die fluorierten Gase adsorbieren sich dabei an das Aluminiumoxid.
Das Oxid und der Staub aus den Elektrolysezellen werden anschließend aus
dem Restgas abgeschieden und ganz oder teilweise für die Beschickung
der Elektrolysezellen wiederverwendet. Der Oxiddurchfluss in der
Behandlungsanlage ist im Allgemeinen kontinuierlich.
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US 4 065 271 beschreibt
ein Verfahren zur Behandlung von Abgasen aus Elektrolysezellen für die Herstellung
von Aluminium. Hierbei werden zunächst die Abgase durch Adsorption
gereinigt und anschließend
die Feststoffe in einem elektrostatischen Abscheider abgetrennt.
Dann wird Wasser in den Adsoptionsreaktor eingeleitet, um die Leitfähigkeit
des Mediums einzustellen.
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FR 2 626 192 A1 beschreibt
ein Verfahren zum Filtern eines mit Staub beladenen Gasstroms aus
einem Adsorptionsschritt. Der Gasstrom kann dabei an verschiedenen
Stellen des Verfahrens benetzt werden, um den Adsorptionsvorgang
zu begünstigen.
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Die
Anlagen zur Behandlung von Abgasen bestehen typischerweise aus einem
oder mehreren Reaktoren, in denen die Abgase mit dem pulverigen Aluminiumoxid
zwecks Reaktion miteinander in Kontakt gebracht werden, und aus
Filtern, um das Oxid aus dem Restgas abzuscheiden. Ein Teil des
aus dem Restgas abgeschiedenen Oxids kann wieder in den Reaktor
eingeblasen werden, um die Effizienz der Behandlung zu steigern.
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Die
Behandlungsanlagen weisen typischerweise eine Reihe von parallel
geschalteten Behandlungseinheiten auf, wobei jede Einheit aus einem
Reaktor und einem Filtrierbehälter
mit Filtermitteln (typischerweise Filterpfannen oder – muffen)
und einem Wirbeltrichter besteht. Die französische Patentanmeldung
FR 2 692 497 (entspricht
dem australischen Patent
AU 4
007 193 ) im Namen der Firma Procédair beschreibt eine Behandlungseinheit,
bei der der Reaktor und die Filter in einem gemeinsamen Behälter integriert
sind.
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Aus
Gründen
der Rentabilität
einer Hütte
versuchen die Aluminiumhersteller, unter Beibehaltung und sogar
Verbesserung der Einsatzbedingungen der Elektrolysezellen möglichst
hohe Elektrolysestromstärken
zu erzielen. Eine höhere
Stromstärke bewirkt
allerdings einen erhöhten
Durchsatz der Abgase und eine Erhöhung ihrer Temperatur. Eine
erhöhte
Temperatur der Abgase kann jedoch zu einer Verschlechterung der
Leistungen bei der Behandlung der Abgase und sogar zu einer Beschädigung der Behandlungsanlagen
führen,
insbesondere der Filtertücher
aus Polymerwerkstoff, die normalerweise verwendet werden.
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Die
Temperatur der Abgase kann durch Verdünnung mit Umluft an einer den
Behandlungsanlagen vorgeschalteten Stelle abgesenkt werden. Eine solche
Lösung
führt allerdings
zu einer starken Zunahme des Gesamtvolumenstroms der zu behandelnden
Gase, so dass die Größe der Behandlungsanlagen,
die notwendig ist, um die Behandlungsrate der Abgase aus den Elektrolysezellen,
d. h. die Nutzrate der Anlage aufrechtzuerhalten, beträchtlich
erhöht
werden muss. Diese Vergrößerung der
Behandlungsanlagen erhöht
die Investitions- und
Betriebskosten. Die Kühlung
der Abgase durch Verdünnung mit
Umluft hat zudem den Nachteil, dass sie empfindlich gegenüber der
Umlufttemperatur ist.
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Die
Anmelderin hat deshalb nach industriell akzeptablen und wirtschaftlichen
Mitteln zur Behandlung von Abgasen aus Elektrolysezellen gesucht,
die hohe Temperaturen aufweisen, d. h. Temperaturen von typischerweise
mehr als 120°C.
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Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Abgasen, die
von einer Zelle zur Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse
erzeugt werden, welches Verfahren eine Kühlung der Abgase an einer den
Behandlungsanlagen vorgeschalteten Stelle umfasst.
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Genauer
formuliert betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung von
Abgasen, die von einer Zelle zur Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse
erzeugt werden, bei dem die Abgase über mindestens eine Förderleitung
zu Behandlungsmitteln bestehend aus mindestens einem Reaktor und
einer Abscheidevorrichtung befördert werden,
die Abgase und das pulverige Aluminiumoxid zwecks Reaktion miteinander
in den Reaktor eingeblasen werden und das Oxid mittels der Abscheidevorrichtung
aus dem Restgas abgeschieden wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet
ist, dass Tröpfchen
eines Kühlfluids
in die oder wenigstens eine der Förderleitungen für die Abgase
an einer den Behandlungsmitteln vorgeschalteten Stelle eingespritzt
werden.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Anlage zur Behandlung von Abgasen,
die von einer Zelle zur Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse
erzeugt werden, welche Anlage mindestens eine Förderleitung für die Abgase,
mindestens einen Reaktor und eine Abscheidevorrichtung umfasst und dadurch
gekennzeichnet ist, dass sie außerdem
eine Vorrichtung zum Einspritzen von Tröpfchen eines Kühlfluids
in die oder wenigstens eine der Förderleitungen umfasst.
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Die
Abgase werden durch Verdampfung der Tröpfchen abgekühlt. Die
Anmelderin stellte überraschenderweise
fest, dass man die Abgase einer Elektrolysezelle auf diese Weise
effizient abkühlen kann,
ohne den Betrieb der Zelle oder der Behandlungsanlage zu beeinträchtigen.
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Die
Erfindung ermöglicht
es, den Mengendurchfluss und damit den Nutzdurchfluss einer Behandlungsanlage
zu erhöhen,
ohne die Anlage zu vergrößern. Die
Stromstärke
der Zellen eines Werks kann erhöht
werden, ohne die Größe der Abgasbehandlungsanlagen ändern zu
müssen.
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Die
Erfindung ermöglicht
es auch, die Behandlungsanlagen zu verkleinern, ohne die "wirksame" Absaugleistung an
den Elektrolysezellen oder die Effizienz der Behandlung zu reduzieren,
d. h. ohne die Ausstöße im Bereich
der Gasabzugsöffnungen
der Elektrolysehallen zu erhöhen.
Dies ist besonders beim Bau einer neuen Behandlungsanlage interessant
und vermeidet deren Überdimensionierung im
Zusammenhang mit einer Verdünnung
der Abgase durch Zumischen von Umluft.
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Die
Erfindung ermöglicht
es, die Stromstärke der
Elektrolysezellen einer Aluminiumhütte zu erhöhen, ohne die existierenden
Anlagen durch größere Anlagen
ersetzen zu müssen.
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Die
Kühlung
der Abgase bewirkt zudem eine Verminderung ihrer effektiven Durchflussmenge;
dadurch kann die Filtergeschwindigkeit und damit die Abnutzung der
Filter minimiert und der Stromverbrauch der Saugzuggebläse durch
einen geringeren, durch die erhöhte
Dichte nicht aufgewogenen Zugverlust reduziert werden.
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Anhand
der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung
und der beigefügten
Figuren wird die Erfindung besser verständlich.
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1 ist
eine schematische Darstellung einer Elektrolysezelle mit einer typischen
Anlage zur Behandlung von Abgasen aus dem Stand der Technik.
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2 ist
eine schematische Darstellung einer Elektrolysezelle mit einer Anlage
zur Behandlung von Abgasen nach einer Ausführungsart der Erfindung.
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3 ist
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Einspritzen
von Kühlmitteltröpfchen nach
einer Ausführungsart
der Erfindung.
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4 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Anlage
zur Behandlung von Abgasen.
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Wie
in 1 dargestellt, besteht eine Elektrolysezelle zur
Herstellung von Aluminium (1) aus einer Wanne (2),
Kohlenstoffanoden (3), die teilweise in das Elektrolytbad
(5) eintauchen, und einem Bunker (4) zur Versorgung
des Bads mit Aluminiumoxid. Die Wanne (2) ist von einer
Kapselung (10) bedeckt, die die von der Zelle (1)
produzierten Abgase einschließt.
Die Kapselung (10) weist gewöhnlich Hauben auf, die ganz
oder zum Teil entfernt werden können.
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Die
Abgase bestehen aus einem gasförmigen
Teil (der vor allem Luft, Kohlendioxid und Fluor enthält) und
einem festen Teil oder "Staub" (der Aluminiumoxid,
Elektrolytbad, ... enthält).
Die Abgase werden typischerweise mit einem oder mehreren, der Behandlungsanlage
(12–19)
nachgeschalteten Gebläsen
(21) aus der Kapselung (10) abgesaugt und über eine
oder mehrere Förderleitungen
(11) den Behandlungsmitteln (12–19)
zugeführt.
Die Behandlung gestattet es, das in den Abgasen enthaltene Fluor
abzuscheiden und einen Restgasanteil zu belassen, der eine vernachlässigbare
Menge Fluor enthält.
Der Restgasanteil ist also der Anteil des gasförmigen Teils in den Abgasen,
der mit dem Aluminiumoxid nicht reagiert hat.
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Erfindungsgemäß umfasst
das Verfahren zur Behandlung von Abgasen, die von mindestens einer Zelle
(1) zur Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse
erzeugt werden, eine Kühlung
der Abgase an einer den Behandlungsmitteln (12–19)
vorgeschalteten Stelle.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsart
der Erfindung umfasst das Verfahren zur Behandlung von Abgasen,
die von mindestens einer Zelle (1) zur Herstellung von
Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse erzeugt werden:
- – das
Befördern
der Abgase über
mindestens eine Förderleitung
(11) zu Behandlungsmitteln (12–19) bestehend aus
mindestens:
- – einem
Reaktor (12), der das in den Abgasen enthaltene Fluor durch
Reaktion mit pulverigem Aluminiumoxid (16) auszuscheiden
vermag;
- – einer
Abscheidevorrichtung (13), die das Aluminiumoxid aus dem/den
Reaktor(en) (12) sowie den Restgasanteil abzuscheiden vermag
und Filtermittel (14) aufweist,
- – das
Einblasen der Abgase und des pulverigen Aluminiumoxids in den oder
die Reaktoren (12) zwecks Reaktion der Abgase mit dem Aluminiumoxid,
- – das
Abscheiden des Aluminiumoxids und des Restgasanteils mittels der
Abscheidevorrichtung (13),
- – das
Befördern
des gesamten Aluminiumoxids aus der Abscheidevorrichtung (13),
des sog. "fluorierten" Aluminiumoxids,
oder eines Teils davon, zu einer oder mehreren Elektrolysezellen
(1),
und ist dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem das
Einspritzen von Tröpfchen
eines Kühlfluids
in die oder wenigstens eine der Förderleitungen (11)
an mindestens einem, dem oder den Reaktoren (12) vorgeschalteten
Punkt (P) umfasst, um die Abgase durch Verdampfung des Fluids vor
ihrem Einblasen in den oder die Reaktoren (12) abzukühlen.
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Das
sog. "frische" Aluminiumoxid, das
für die Extraktion
des Fluors aus den Abgasen benutzt wird, kommt typischerweise aus
einem Silo (16).
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Ein
Teil (17) des "fluorierten" Aluminiumoxids (18)
aus dem Abscheidevorgang kann wieder in den/die Reaktor(en) (12)
eingeblasen werden, um die Effizienz der Behandlung zu erhöhen.
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Die
Beförderung
des gesamten fluorierten Aluminiumoxids aus der Abscheidevorrichtung
(13) oder eines Teils davon zu den Elektrolysezellen (1) kann
direkt oder indirekt erfolgen.
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Die
Lage eines dem/den Reaktor(en) (12) vorgeschalteten Einspitzpunkts
(P) ist schematisch in den 2 bis 4 dargestellt.
Die Einspritzpunkte (P) liegen typischerweise vor dem Behandlungssystem
(19), das den oder die Reaktoren (12) einschließt.
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Die
Lage des bzw. der Punkte (P) zum Einspritzen des Kühlfluids
in die Förderleitungen
(11) wird vorteilhaft so gewählt, dass die Tröpfchen vollständig verdampfen,
bevor sie den oder die Reaktoren (12) erreichen. Dadurch
wird verhindert, dass flüssiges
Kühlmittel
in den Reaktor gelangt, was zu Problemen beim Umgang mit dem Oxid
und zu einer Beschädigung
der Filtermittel führen
könnte.
Der Abstand D zwischen dem oder den Einspritzpunkten (P) und jedem
Reaktor (12), der es gestattet, eine vollständige Verdampfung
der Tröpfchen
zu erzielen, beträgt
typischerweise mehr als 15 m.
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Besonders
bevorzugt sollten die Kühlmitteltröpfchen vollständig verdampft
sein, bevor sie auf eine Wand in der Nähe des Einspritzpunktes oder
ein erstes Hindernis stoßen.
Dadurch wird ein Aufprall von Tropfen auf die Wand der Förderleitungen
(11) und/oder eine Kühlmittelansammlung
verhindert, was zu einer Korrosion der Leitungen führen könnte. Zu
diesem Zweck werden die Kühlmitteltröpfchen vorteilhaft
in Strömungsrichtung
der Abgase eingespritzt. Zum gleichen Zweck werden die Kühlmitteltröpfchen vorteilhaft
in Form eines Verteilungskegels (oder "Sprühkegels") (40) mit
kleinem Öffnungswinkel α eingespritzt,
typischerweise kleiner als etwa 20° (siehe 3). Dem
gleichen Zweck dienend sollten vorzugsweise Tröpfchen gebildet werden, die
eine solche Größe aufweisen,
dass sie auf ihrem Weg zwischen dem oder den Einspritzpunkten und
dem nächstliegenden
Hindernis vollständig
verdampfen.
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Die
Verdampfungszeit der Tröpfchen
hängt von
der Temperatur der Abgase und der Größe der Tröpfchen ab. Die zurückgelegte
Strecke während der
Verdampfung hängt
von der Geschwindigkeit der Abgase ab. Die Erfinder schätzen, dass
die Tröpfchen
bei typischen Industrieanlagen und bei Temperaturen von etwa 150°C vorzugsweise
kleiner als 100 μm
sein sollten, damit sie vollständig
verdampfen können,
bevor sie ein Hindernis oder den Reaktor erreichen. Die Größe der Tröpfchen beträgt typischerweise
zwischen 1 μm
und 100 μm,
da sich Tröpfchen von
weniger als 1 μm
Größe nur schwer
produzieren lassen. Sehr feine Tröpfchen kann man mit Düsen gewinnen,
die mit einem Gemisch aus Kühlmittel
und Druckluft gespeist werden.
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Das
Verfahren umfasst vorteilhaft eine Erwärmung des Kühlfluids vor dessen Einleitung
in die Förderleitung(en)
(11), um die für
die Verdampfung des Fluids notwendige Zeit herabzusetzen. Diese
Variante gestattet es auch, die Temperaturschwelle von typischerweise
120°C herabzusetzen,
unterhalb derer die Tröpfchen
nicht vollständig
verdampfen können,
bevor sie den Reaktor erreichen. Die Erwärmung kann durch Kontakt einer
Kühlfluidzuleitung (35)
mit den Abgasförderleitungen
(11) erfolgen, oder auch durch direkten Kontakt des Kühlfluids
mit den Förderleitungen
(11), bevor es in die Abgase eingeleitet wird. Das Kühlfluid
wird typischerweise auf eine bestimmte Temperatur erwärmt, die
vorteilhaft 10 bis 20° unter
der Verdampfungstemperatur des Kühlfluids
liegt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsvariante
der Erfindung lässt
man die Abgase in einem dem oder den Reaktoren (12) vorgeschalteten
Venturi-Rohr zirkulieren, wobei man die gesamten Kühlfluidtröpfchen oder
einen Teil davon in das Venturi-Rohr einspritzt. Anders formuliert:
Das erfindungsgemäße Verfahren
umfasst vorteilhaft eine Zirkulation der Abgase in einem Venturi-Rohr
und mindestens ein Teil der Einspritzung der Kühlfluidtröpfchen erfolgt in dem Venturi-Rohr.
Durch die Wirbelbewegung der Abgase in dem Venturi-Rohr kann die
Vermischung der Tröpfchen
verbessert und ihre Verdampfung beschleunigt werden. Ein Teil der
Kühlmitteltröpfchen kann
eventuell vor und/oder nach dem Venturi-Rohr eingespritzt werden.
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Diese
verschiedenen Maßnahmen
können mit
Vorteil kombiniert werden, um eine schnelle Verdampfung der Tröpfchen zu
begünstigen
(Einspritzung der Tröpfchen
in Strömungsrichtung
der Abgase, Ausbildung eines Sprühkegels
mit kleiner Winkelöffnung,
Bildung kleiner Tröpfchen,
Erwärmung
des Kühlfluids
vor Einleitung in den Abgasstrom und/oder Überleitung der Abgase in ein
Venturi-Rohr).
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Die
Verdampfungsrate der Tröpfchen
kann eventuell mit Detektoren (wie z. B. Optiken oder Hygrometer)
in der Nähe
des Reaktoreingangs kontrolliert werden.
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Die
notwendige Kühlmitteldurchflussmenge hängt von
der Temperatur der Abgase, der angestrebten Temperatursenkung und
der Verdampfungswärme
des Kühlmittels
ab. Handelt es sich bei dem Kühlmittel
um Reinwasser, liegt die Durchflussmenge typischerweise zwischen
0,1 und 2 g Wasser/Nm3 Abgase/°C und in
besonders typischer Weise zwischen 0,2 und 1 g Wasser/Nm3 Abgase/°C.
Soll also beispielsweise die Temperatur einer Abgasdurchflussmenge
von 100 Nm3 um 10°C herabgesetzt werden, dann
entspricht eine Kühlmitteldurchflussmenge von
0,5 g Wasser/Nm3 Abgase/°C einer Gesamtdurchflussmenge
von 500 g/s.
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Die
Tröpfchen
werden vorteilhaft durch Zerstäubung
des Kühlfluids
erzeugt, typischerweise aus der flüssigen Phase. Diese Zerstäubung kann
unter Verwendung mindestens einer Düse erfolgen.
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Die
Tröpfchen
können
dabei kontinuierlich oder diskontinuierlich erzeugt werden.
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Das
Kühlfluid
ist vorteilhaft Wasser oder eine Wasser enthaltende Flüssigkeit,
da Wasser eine sehr hohe Verdampfungswärme besitzt. Die Wasser enthaltende
Flüssigkeit
kann eine wässrige
Lösung
sein. Das Kühlfluid
kann eventuell einen Zusatz enthalten, der Korrosion verhindert
und/oder die Behandlung der Abgase verbessert.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsart der
Erfindung wird die Tröpfchenerzeugungsrate oder
Kühlmitteldurchflussmenge
in Abhängigkeit
von Messwerten und/oder bestimmten Kriterien eingestellt. Die Fluiddurchflussmenge
kann zum Beispiel rückwirkend
eingestellt werden, in Abhängigkeit
von der Temperatur der Abgase, die unmittelbar vor dem Einleiten
der Abgase in den Reaktor und genauer gesagt an einem Punkt T gemessen
wird, der in einem bestimmten Abstand Dm davon liegt (siehe 4). Anders
formuliert: Das erfindungsgemäße Behandlungsverfahren
umfasst vorteilhaft eine Messung der Temperatur der Abgase an mindestens
einem Punkt T, der in einem bestimmten Abstand Dm von dem oder den
Reaktoren (12) liegt, und eine Einstellung der Fluiddurchflussmenge
in Abhängigkeit
von der gemessenen Temperatur. Gemäß einer Variante dieser Ausführungsart
kann die Fluiddurchflussmenge rückwirkend
eingestellt werden, in Abhängigkeit
von Messungen der Temperatur der Abgase, die unmittelbar vor dem
Einleiten der Abgase in den oder die Reaktoren (12) durchgeführt werden,
und von Messungen der Durchflussmenge der Abgase, die typischerweise
vor oder nach der Einspritzvorrichtung (30) durchgeführt werden.
Messungen der Temperatur der Abgase vor der Einspritzvorrichtung
(30) können eventuell
zur Bestimmung der Verdampfungsrate des Kühlfluids vorgenommen werden.
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Erfindungsgemäß umfasst
die Anlage zur Behandlung von Abgasen, die von mindestens einer Zelle
(1) zur Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse
produziert werden, Behandlungsmittel (12–19)
und eine den Behandlungsmitteln vorgeschaltete Kühlvorrichtung (29).
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsart
der Erfindung umfasst die Kühlvorrichtung
(29) mindestens eine Einspritzvorrichtung (30)
zum Einspritzen von Tröpfchen
eines Kühlfluids
an einer den Behandlungsmitteln (12–19) vorgeschalteten
Stelle.
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Genauer
formuliert umfasst die Anlage zur Behandlung von Abgasen, die von
mindestens einer Zelle (1) zur Herstellung von Aluminium
durch Schmelzflusselektrolyse erzeugt werden:
- – Behandlungsmittel
(12–19)
bestehend aus mindestens:
- – einem
Reaktor (12), der das in den Abgasen enthaltene Fluor durch
Reaktion mit pulverigem Aluminiumoxid (16) auszuscheiden
vermag;
- – einer
Abscheidevorrichtung (13), die das Aluminiumoxid aus dem/den
Reaktor(en) (12) sowie den Restgasanteil abzuscheiden vermag
und Filtermittel (14) aufweist,
- – mindestens
eine Förderleitung
(11) zum Befördern
der Abgase zu den Behandlungsmitteln (12–19),
- – Mittel
(23, 24, 25) zum Befördern des gesamten Aluminiumoxids
aus der Abscheidevorrichtung (13), des sog. "fluorierten Aluminiumoxids", oder eines Teils
davon, zu einer oder mehreren Elektrolysezellen (1),
und
ist dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem eine Vorrichtung (30)
zum Einspritzen von Tröpfchen eines
Kühlfluids
in die oder wenigstens eine der Förderleitungen (11)
an mindestens einem, dem/den Reaktor(en) (12) vorgeschalteten
Punkt (P) umfasst.
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Der
oder die Reaktoren (12) und die Abscheidevorrichtung(en)
(13) können
in einem einzigen Behandlungssystem (19) vereinigt sein.
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Jeder
Reaktor (12) weist typischerweise Mittel auf, um pulveriges
Aluminiumoxid aufzuschlämmen.
Durch diese Variante kann das Oxid wirksam mit den über die
Leitung(en) (11) zugeführten
Abgasen reagieren.
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Die
Filtermittel (14) der Abscheidevorrichtung (13)
sind typischerweise in einem Schutzbehälter (15) integriert.
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Ein
Teil des "fluorierten" Aluminiumoxids,
das durch die Austrittsleitung(en) (18) aus der Abscheidevorrichtung
(13) austritt, kann über
eine Abzweigleitung (17) wieder in den/die Reaktor(en)
(12) eingeblasen werden.
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Die
Fördermittel
(23, 24, 25) bestehen typischerweise
aus Lagermitteln (24) sowie Transport- (23) und
Versorgungsleitungen (25).
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Der
aus der Abscheidevorrichtung (13) kommende Restgasanteil
(d. h. der aus dem Fluor herausgefällte, gasförmige Teil der Abgase) wird
gewöhnlich
mit Ableitungsmitteln (20, 21, 22) abgeleitet.
Er kann eventuell mit zusätzlichen
Mitteln behandelt werden.
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Wie
in 3 dargestellt, umfasst die Einspritzvorrichtung
(30) zum Einspritzen eines Kühlfluids in die Förderleitung(en)
(11) typischerweise mindestens ein Einspritzmittel (31)
und eine Kühlfluid-Quelle 39.
Die Einspritzvorrichtung (30) kann eine Pumpe (38)
aufweisen. Bei einer Ausführungsart
der Erfindung ist das Einspritzmittel (31) ein Zerstäubungsmittel,
wie z. B. eine Düse
oder mehrere Düsen.
Mit den Zerstäubungsmitteln
kann mindestens ein Verteilungskegel (oder "Sprühkegel") (40) der Kühlmitteltröpfchen gebildet
werden, der orientiert werden kann. Die Einspritzvorrichtung (30)
kann auch ein Filter (36) zum Abfangen der Partikel aufweisen,
die das Zerstäubungsmittel
(31) verstopfen könnten.
Das oder die Einspritzmittel (31) bestehen vorteilhaft
aus einem korrosionsbeständigen
Werkstoff oder sind mit einem korrosionsbeständigen Werkstoff beschichtet.
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Gemäß einer
Variante der Erfindung weist die Einspritzvorrichtung (30)
auch eine Druckluft-Quelle (34) auf.
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Die
Einspritzvorrichtung (30) kann zudem Regelungsmittel (33, 37)
aufweisen, wie z. B. einen Regler (37) zur Regelung von
Druck und/oder Durchflussmenge des Kühlfluids. Bei der Ausführungsvariante
der Erfindung, bei der die Einspritzvorrichtung (30) eine
Druckluft-Quelle (34) umfasst, umfasst die Einspritzvorrichtung
(30) vorteilhaft einen Regler (33) zur Regelung
des Druckluftdrucks. Die Einspritzvorrichtung (30) kann
auch Mittel zur Messung des Drucks und/oder der Kühlmittel-
und/oder Luftdurchflussmenge aufweisen. Mit diesen Mitteln kann
die Einspritzvorrichtung (30) kontrolliert bzw. gesteuert werden.
Die Kontrolle bzw. Steuerung kann von einer Bedienperson, einem
Automaten oder einem Regelungssystem durchgeführt werden.
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Die
Förderleitungen(en)
(11) können
auf ihrer gesamten Innenwand oder einem Teil davon eine Korrosionsschutzbeschichtung
aufweisen, insbesondere in der Nähe
des oder der Punkte (P), wo die Tröpfchen eingespritzt werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Variante der Erfindung weist die Behandlungsanlage
ein dem oder den Reaktoren (12) vorgeschaltetes Venturi-Rohr
auf, wobei sich mindestens ein Punkt (P) zum Einspritzen der Kühlfluidtröpfchen in
dem Venturi-Rohr befindet. Ein oder mehrere Einspritzpunkte können eventuell vor
und/oder nach dem Venturi-Rohr angeordnet sein.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung weist die Behandlungsanlage
ein Regelungssystem (50) auf, bestehend aus mindestens einer
Messsonde (51) zum Messen der Temperatur der Abgase vor
dem oder den Reaktor(en) (12) (und genauer formuliert an
einem Punkt T, der in einem bestimmten Abstand Dm davon liegt) und
einer Steuerungszentrale (52) für die Einspritzvorrichtung
(30) (siehe 4). Die Steuerungszentrale (52)
wirkt in Abhängigkeit
von den gemessenen Temperaturwerten typischerweise auf den Regler
(37) zur Regelung von Druck und/oder Durchflussmenge des
Kühlfluids und/oder
den Regler (33) zur Regelung des Druckluftdrucks zurück. Die
Steuerung wird typischerweise so durchgeführt, dass die Temperatur der
Abgase einen bestimmten Grenzwert Tm nicht übersteigt.
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Versuche
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An
Zellen zur elektrolytischen Herstellung von Aluminium wurde ein
Kühlversuch
mit einem Verfahren und einer Vorrichtung nach der Erfindung durchgeführt.
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Die
Behandlungsanlage war mit der aus 2 vergleichbar
und wies zusätzlich
ein dem Einspritzpunkt der Wassertröpfchen nachgeschaltetes Venuri-Rohr
auf. Die Einspritzvorrichtung bestand aus einer mit Druckluft aktivierten
Düse.
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Bei
dem Kühlmittel
handelte es sich um Wasser mit Raumtemperatur. Die Kühlwassereinspritzung
erfolgte kontinuierlich und dauerte 3 Wochen.
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Die
Abgase kamen aus 3 Elektrolysezellen, die mit 495 kA gefahren wurden.
Der Abgasstrom lag bei 9 Nm3/s. Ohne Einleiten
von Kühlmittel
betrug die Temperatur der Abgase am Eintritt des Reaktors etwa 150°C. Durch Einspritzen
von Wasser konnte die Temperatur der Zellenabgase um mindestens 8°C herabgesetzt
werden. Es wurde sogar ein Temperaturrückgang von 20°C erreicht.
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Die
Anmelderin stellte dabei fest, dass ein Kühlwasserdurchsatz, der ausreicht,
um die Temperatur der Abgase deutlich abzusenken, den Wassergehalt
der Abgase nur sehr wenig erhöhte.
Genauer gesagt: ein Wasserdurchsatz von etwa 2,1 l/min, der ausreicht,
um die Temperatur der Abgase um ca. 8°C zu senken, führte dazu,
dass ca. 0,3 Gew.-% Wasser in den Abgasstrom gelangte, während der
Wassergehalt der Abgase ohne Kühlmitteleinspritzung
zwischen 0,9 und 1,1 Gew.-% lag (die beobachteten Werte liegen typischerweise
zwischen 0,1 und 2 Gew.-% je nach Feuchtigkeitsgehalt der Umluft).
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Die
Anmelderin stellte überraschenderweise weiterhin
fest, dass sich das eingespritzte Wasser bei der Behandlung nur
sehr wenig am Aluminiumoxid anlagerte und die Fluoremissionen der
Elektrolysezelle beim Kühlen
der Abgase durch Einspritzen von Wasser nicht anstiegen. Fast das
ganze in die Abgase eingespritzte Wasser befand sich im Schornstein und
der Wassergehalt des Aluminiumoxids wurde nicht wesentlich verändert.
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Die
Leistungen der Behandlungsanlage werden durch die Anwesenheit von
Wasser in den Abgasen nicht verschlechtert. Sie haben sich sogar
während
der Dauer der Versuche im Durchschnitt verbessert, was die Erfinder
auf ein Sinken der durchschnittlichen Temperatur der Abgase zurückführen.
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Die
Versuche zeigten auch, dass der Abnutzungsgrad des Aluminiumoxids
(d. h. die Bildung von Feinoxid durch Reibung) geringer ist als
bei Nichteinspritzung von Kühlwasser.
Ausgehend von einem durchschnittlichen Wert von etwa 10% sank der
Abnutzungsgrad während
der 3-wöchigen
Kühlung
auf etwa 5% ab.
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- 1
- Elektrolysezelle
- 2
- Wanne
- 3
- Anoden
- 4
- Aluminiumoxidbunker
- 5
- Elektrolytbad
- 10
- Zellenkapselung
- 11
- Förderleitung
- 12
- Reaktor
- 13
- Abscheidevorrichtung
- 14
- Filter
- 15
- Schutzbehälter
- 16
- Aluminiumoxid-Quelle
- 17
- Abzweigleitung
für fluoriertes
Aluminiumoxid
- 18
- Austrittsleitung
für fluoriertes
Aluminiumoxid
- 19
- Behandlungssystem
- 20
- Ableitungsrohr
- 21
- Gebläse
- 22
- Schornstein
- 23
- Transportleitung
für fluoriertes
Aluminiumoxid
- 24
- Lagermittel
für fluoriertes
Aluminiumoxid
- 25
- Versorgungsleitung
für fluoriertes
Aluminiumoxid
- 29
- Kühlvorrichtung
- 30
- Einspritzvorrichtung
- 31
- Einspritzmittel
- 32
- Drucklufteintritt
- 33
- Regler
zur Regelung des Druckluftdrucks
- 34
- Druckluft-Quelle
- 35
- Kühlfluidzuleitung
- 36
- Filter
- 37
- Regler
zur Regelung von Druck und Durchflussmenge des Kühlfluids
- 38
- Pumpe
- 39
- Kühlfluid-Quelle
- 40
- Streukegel
der Kühlfluidtröpfchen
- 50
- Regelungssysem
- 51
- Messsonde
zum Messen der Temperatur der Abgase
- 52
- Steuerungszentrale