RU2316620C1

RU2316620C1 - Apparatus for collecting and removing gases from aluminum cell

Info

Publication number: RU2316620C1
Application number: RU2006113089/02A
Authority: RU
Inventors: Валерий Георгиевич Шадрин (RU); Валерий Георгиевич Шадрин; Геннадий Викторович Архипов (RU); Геннадий Викторович Архипов; Виталий Валерьевич Пингин (RU); Виталий Валерьевич Пингин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Русская инжиниринговая компания"
Priority date: 2006-04-18
Filing date: 2006-04-18
Publication date: 2008-02-10
Also published as: CN101092714A; US20070240996A1; NO20071984L; AU2007201713A1; CA2585225A1

Abstract

FIELD: non-ferrous metallurgy, namely apparatus for collecting and removing gases from aluminum cell at producing aluminum by electrolysis.

SUBSTANCE: apparatus includes beam-collector with double vertical walls and gas-passing variable cross section ducts whose height increases to end of beam-collector connected with gas scrubbing system. Between vertical walls of beam-collector there are plates restricting inlet ducts in zone of punch action and metal sampling and if necessary in other zones connecting space under shelter with gas passing ducts. Nozzles of inlet ducts provide initial speeds and inlet angle of gas flows to gas passing ducts. Relation of surface areas of outlet cross section of nozzle and cross section of gas passing duct in zone of outlet cross section of nozzle, is decreased towards end connected with gas scrubbing system.

EFFECT: enhanced efficiency of gas removal along the whole length of cell, lowered gas dynamic resistance of system.

5 dwg

Description

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к получению алюминия способом электролиза, и может быть применено для удаления газов на электролизерах с односторонним газоотсосом при поперечном их расположении в корпусе.The invention relates to the field of non-ferrous metallurgy, in particular to the production of aluminum by electrolysis, and can be used to remove gases on electrolyzers with a one-sided gas pump with their transverse arrangement in the housing.

Известен патент СССР №1473718, выданный французской фирме "Алюминиум Пешине", С25С 3/22, 1989. В устройстве внутренняя полость балки-коллектора разделена по высоте на пять зон всасывания с помощью горизонтальных перегородок разной длины (пластин), причем каждая зона всасывания распространяет свое действие на длину балки-коллектора, равную примерно ширине двух створок укрытия электролизера. Пространство между двумя соседними перегородками образует заранее заданные каналы для удаления газов из каждой зоны всасывания, которые сходятся в общий коллектор, связанный с центральным всасывающим устройством. Регулирование объема отсасываемых каждым каналом газов производится с помощью температурных датчиков и поворотных заслонок (шиберов), установленных в каждом канале. Основной целью работы является автоматическое регулирование интенсивности газоотсоса при различных режимах работы электролизера.The USSR patent is known No. 1473718, issued to the French company Aluminum Pechine, C25C 3/22, 1989. In the device, the internal cavity of the collector beam is divided in height into five suction zones using horizontal partitions of different lengths (plates), each suction zone distributing its effect on the length of the collector beam, approximately equal to the width of the two casing shelter flaps. The space between two adjacent partitions forms predetermined channels for removing gases from each suction zone, which converge into a common collector connected to a central suction device. The volume of gases sucked by each channel is regulated by temperature sensors and rotary dampers (gates) installed in each channel. The main goal of the work is to automatically control the intensity of the gas pump under various operating conditions of the electrolyzer.

К недостаткам устройства относится следующееThe disadvantages of the device include the following

Разделение газоходного канала балки-коллектора перегородками на систему параллельных каналов постоянного сечения S1 увеличивает газодинамическое сопротивление в несколько раз. Для преодоления большой величины сопротивления потребуется обеспечить значительное разрежение. Кроме того, установленные внутри каждого канала шиберы создают дополнительное сопротивление и способствуют оседанию глинозема в каналах. Работа шиберов либо будет затруднена воздействием высокой температуры, абразивных частиц, фтористых соединений и магнитного поля, либо будет не возможна.The separation of the gas duct of the collector beam by partitions into a system of parallel channels of constant cross-section S1 increases the gas-dynamic resistance by several times. To overcome a large resistance value, significant vacuum is required. In addition, the gates installed inside each channel create additional resistance and contribute to the settling of alumina in the channels. The operation of gates will either be hindered by exposure to high temperature, abrasive particles, fluoride compounds and a magnetic field, or it will not be possible.

Осаждение глинозема в каналах приведет к перераспределению потоков по каналам, что сделает невозможным равномерное удаление газов по всей длине электролизера.The deposition of alumina in the channels will lead to a redistribution of flows through the channels, which will make it impossible to uniformly remove gases along the entire length of the cell.

В связи с тем, что внутренняя полость коллектора разделена сплошными (от стенки до стенки) горизонтальными перегородками, исключается возможность установки и использования дозаторов автоматической подачи глинозема (АПГ). Подобная конструкция накладывает ограничения на конструктивное выполнение анодной ошиновки, когда боковые шины имеют соединения между собой.Due to the fact that the inner cavity of the collector is divided by continuous (wall to wall) horizontal partitions, the possibility of installing and using automatic alumina (APG) dispensers is excluded. Such a design imposes restrictions on the design of the anode busbar when the side tires are interconnected.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство (патент RU №2218453, выданный ОАО "ВАМИ", С25С 3/22, 2003). Устройство для сбора и удаления газов алюминиевого электролизера, оснащенного дозаторами АПГ, содержит балку- коллектор с вертикальными стенками, верхним и нижним поясами жесткости и газоходными каналами для сбора и удаления газов с всасывающими окнами. Вертикальные стенки балки-коллектора выполнены двойными для образования двух газоходных каналов для сбора и удаления газов, размещенных в верхней части балки-коллектора. В каждом из газоходных каналов наклонно установлены ограничители, образующие всасывающую щель, постоянной ширины и переменной высоты, причем высота газоходных каналов возрастает к торцу балки-коллектора, соединенному с системой газоочистки.The closest in technical essence to the claimed is a device (patent RU No. 2218453, issued by JSC "VAMI", C25C 3/22, 2003). A device for collecting and removing gases from an aluminum electrolyzer equipped with APG dispensers contains a collector beam with vertical walls, upper and lower stiffness belts and gas ducts for collecting and removing gases with suction windows. The vertical walls of the collector beam are double for the formation of two gas ducts for collecting and removing gases located in the upper part of the collector beam. In each of the gas ducts, limiters are formed obliquely, forming a suction gap of constant width and variable height, the height of the gas ducts increasing towards the end of the collector beam connected to the gas cleaning system.

К недостаткам устройства-прототипа относится следующееThe disadvantages of the prototype device include the following

В приведенной конструкции газовые струи с большой скоростью вертикально входят в газоходный канал и создают вихревые зоны, что сильно увеличивает газодинамическое сопротивление устройства. Чем больше величина разрежения в системе газоочистки, тем больше сопротивление. В результате не будет обеспечено необходимое разрежение для удаления газов по всей длине электролизера. Эффективно газ будет удаляться только с части электролизера. В результате неравномерного удаления газов по всей длине электролизера под укрытием образовываются застойные зоны и газ будет выбиваться в корпус.In the above design, gas jets vertically enter the gas duct at high speed and create vortex zones, which greatly increases the gas-dynamic resistance of the device. The larger the vacuum value in the gas cleaning system, the greater the resistance. As a result, the necessary vacuum will not be provided to remove gases along the entire length of the cell. Effectively, gas will be removed only from part of the cell. As a result of uneven removal of gases along the entire length of the cell under the shelter, stagnant zones are formed and gas will be knocked out into the housing.

Для достижения равномерного газоотсоса по всей длине электролизера изменяется только сечение газоходного канала S1. Площадь всасывающей щели S2 остается постоянной ширины и открытой по всей длине балки-коллектора. В этом случае объем входящих газов значительно превосходит пропускную возможность выходного сечения газоходного канала. Уменьшение ширины всасывающей щели приведет к зарастанию ее глиноземом.To achieve a uniform gas exhaust along the entire length of the cell, only the cross section of the gas passage channel S1 is changed. The area of the suction gap S2 remains constant and open along the entire length of the collector beam. In this case, the volume of incoming gases significantly exceeds the flow capacity of the outlet cross section of the gas duct. Reducing the width of the suction gap will lead to its overgrowth with alumina.

Приведенная конструкция не сможет обеспечить эффективное, равномерное удаление электролизных газов по всей длине электролизера без изменения площади всасывающих щелей S2 и их конфигурации.The above design will not be able to provide effective, uniform removal of electrolysis gases along the entire length of the cell without changing the area of the suction slots S2 and their configuration.

Задачей изобретения является повышение эффективности удаления газов в электролизерах с односторонним газоотсосом, при их поперечном расположении в корпусе.The objective of the invention is to increase the efficiency of gas removal in electrolyzers with a one-sided gas pump, with their transverse arrangement in the housing.

Техническим результатом изобретения является обеспечение равномерного удаления газов из электролизера по всей его длине и снижение газодинамического сопротивления системы.The technical result of the invention is to ensure uniform removal of gases from the electrolyzer along its entire length and to reduce the gas-dynamic resistance of the system.

Поставленная задача решается выполнением устройства для сбора и удаления газов, выделяющихся из алюминиевого электролизера, оснащенного системой автоматической подачи глинозема, содержащего балку-коллектор с вертикальными двойными стенками и газоходные каналы переменного сечения, высота которых возрастает к торцу балки коллектора, соединенного с системой газоочистки, в котором согласно предлагаемому решению, между вертикальными стенками балки-коллектора, в зоне действия пробойников автоматической подачи глинозема и забора металла, установлены пластины с образованием входных каналов, снабженных на входе в газоходный канал соплами для обеспечения необходимой скорости и направления движения газовых потоков, причем соотношение площади выходного сечения сопла к площади поперечного сечения газоходного канала в области выходного сечения сопла выполнено с уменьшением к торцу электролизера, соединенному с системой газоочистки.The problem is solved by the implementation of a device for collecting and removing gases released from an aluminum electrolyzer equipped with an automatic alumina feed system containing a collector beam with vertical double walls and gas ducts of variable cross section, the height of which increases to the end of the collector beam connected to the gas purification system, in which according to the proposed solution, between the vertical walls of the beam-collector, in the area of action of the punches for the automatic feeding of alumina and metal fence plates were installed with the formation of input channels equipped with nozzles at the entrance to the gas duct to provide the necessary speed and direction of gas flow, and the ratio of the area of the exit section of the nozzle to the cross-sectional area of the gas channel in the area of the output section of the nozzle is made to the end of the cell connected with gas cleaning system.

Уменьшение в сторону к торцу электролизера, соединенному с системой газоочистки соотношения площадей S2/S1 по длине газоходного канала балки-коллектора, позволит распределить газодинамическое сопротивление и тем самым обеспечить необходимое разрежение по всей длине газоходного канала для равномерного удаления газов по всей длине электролизера.The reduction towards the end of the cell connected to the gas cleaning system, the ratio of the areas S2 / S1 along the length of the gas duct of the collector beam will allow the gas-dynamic resistance to be distributed and thereby provide the necessary negative pressure along the entire length of the gas duct for uniform removal of gases along the entire length of the cell.

В связи с тем, что входные каналы располагаются в зоне действия пробойников АПГ и забора металла, т.е. в зонах выхода газов из-под корки глинозема и образования "огоньков", сбор газов под укрытием выполняется максимально эффективно.Due to the fact that the input channels are located in the coverage area of the APG and metal fence, i.e. in the zones of gas exit from under the alumina crust and the formation of "lights", the collection of gases under cover is carried out as efficiently as possible.

Использование сопел обеспечивает необходимые начальные значения скорости и углов входа в газоходный канал потоков газа без образования вихревых и застойных зон. Кроме того, угол установки сопел позволяет распределить входящие газовые потоки по высоте газоходных каналов. В результате значительно снижается газодинамическое сопротивление системы.The use of nozzles provides the necessary initial values of the velocity and angles of entry into the gas duct of gas flows without the formation of vortex and stagnant zones. In addition, the nozzle installation angle allows you to distribute the incoming gas flows along the height of the gas ducts. As a result, the gas-dynamic resistance of the system is significantly reduced.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о соответствии решения критерию "новизна".A comparative analysis of the features of the proposed solution and the characteristics of the analogue and prototype indicates that the solution meets the criterion of "novelty."

Сущность изобретения поясняется чертежами и графиками, на которых изображены:The invention is illustrated by drawings and graphs, which depict:

на фиг.1 - алюминиевый электролизер, общий вид (показаны только элементы конструкции, через которые удаляются газы);figure 1 - aluminum electrolyzer, General view (only structural elements are shown through which gases are removed);

на фиг.2, 3, 4 - схемы конструктивного выполнения соединения входных каналов с газоходными каналами балки-коллектора и укрытием электролизера;figure 2, 3, 4 - diagrams of the structural design of the connection of the input channels with the gas ducts of the beam-collector and the shelter of the electrolyzer;

на фиг.5 - график расчетной оценки эффективности удаления газов из электролизера, выполненный в программе STAR-CD.figure 5 is a graph of the estimated evaluation of the efficiency of gas removal from the electrolyzer, made in the STAR-CD program.

Конструкция устройства для удаления газов состоит из балки коллектора 1 с двойными вертикальными стенками 2, в верхней части которой расположены газоходные каналы 3 переменного сечения. Высота газоходного канала 3 увеличивается по направлению выходного патрубка 4, соединенного с системой газоочистки корпуса. Соответственно площадь поперечного сечения газоходного канала S1 в этом направлении также увеличивается. Между стенками балки коллектора 1 расположены пластины 5, образующие входные каналы 6, соединяющие пространство под укрытием электролизера 7 и газоходные каналы 3. Стенки входных каналов имеют продолжение внутри газоходных каналов, образуя сопла 8, которые обеспечивают заданное направление движения электролизных газов и начальную скорость в газоходных каналах 3. Площадь сечений сопел S2 уменьшается к торцу, соединенному с системой газоочистки. Располагаются входные каналы в зоне работы пробойников АПГ (показана осевая линия штоков цилиндров АПГ и бункера АПГ 9) и в зоне забора металла 10.The design of the device for removing gases consists of a beam collector 1 with double vertical walls 2, in the upper part of which there are gas ducts 3 of variable cross section. The height of the gas duct 3 increases in the direction of the outlet pipe 4 connected to the body gas cleaning system. Accordingly, the cross-sectional area of the gas passage channel S1 in this direction also increases. Between the walls of the collector beam 1 there are plates 5 forming the inlet channels 6, connecting the space under the shelter of the electrolyzer 7 and the gas ducts 3. The walls of the input channels are continued inside the gas ducts, forming nozzles 8 that provide a given direction of movement of the electrolysis gases and the initial velocity in the gas ducts channels 3. The cross-sectional area of nozzles S2 decreases towards the end connected to the gas treatment system. Input channels are located in the area of operation of the APG punch (the center line of the rods of the cylinders of the APG and the hopper of the APG 9 is shown) and in the zone of metal intake 10.

В процессе работы электролизера газы через разломы в корке поступают под укрытие 7, затем конвективные потоки газов через входные каналы 6 и сопла 8 поступают в газоходные каналы 3 балки-коллектора 1 и далее в систему газоочистки корпуса, не представленную на чертеже.In the process of operation of the electrolyzer, gases through faults in the crust come under cover 7, then convective gas flows through inlet channels 6 and nozzles 8 enter the gas ducts 3 of the collector beam 1 and then to the body gas cleaning system, not shown in the drawing.

На фиг.5 приведена расчетная оценка эффективности удаления газов по длине электролизера для конструкции прототипа, где изменяется только S1, и заявляемого устройства, где уменьшается соотношение S2/S1 по направлению к торцу, соединенному с системой газоочистки корпуса, входные каналы были выполнены по схеме, приведенной на фиг.2. Расчет выполнялся в программе вычислительной гидродинамики STAR-CD для одной и той же конструкции электролизера. Математическое моделирование в программе вычислительной гидродинамики STAR-CD процесса удаления газов из электролизера посредством устройства прототипа показало, что газ удаляется только 1/2 от всей длины электролизера. Из анализа графиков, приведенных на фиг.5, видно, что при уменьшении соотношения S2/S1 по направлению к торцу, соединенному с системой газоочистки, достигается равномерное удаление газов по длине электролизера. Некоторое увеличение объема удаляемых газов на противоположном от выходного патрубка торце необходимо для обеспечения равномерного удаления электролизных газов при заборе металла из электролизера.Figure 5 shows a calculated estimate of the efficiency of gas removal along the length of the electrolyzer for the design of the prototype, where only S1 changes, and the inventive device, where the ratio S2 / S1 decreases towards the end connected to the body gas cleaning system, the input channels were made according to the scheme, shown in figure 2. The calculation was performed in the STAR-CD computational fluid dynamics program for the same electrolyzer design. Mathematical modeling in the STAR-CD computational fluid dynamics program of the process of removing gases from the electrolyzer using the prototype device showed that gas is removed only 1/2 of the entire length of the electrolyzer. From the analysis of the graphs shown in figure 5, it is seen that with a decrease in the ratio S2 / S1 towards the end connected to the gas cleaning system, uniform removal of gases along the length of the cell is achieved. A certain increase in the volume of removed gases at the end opposite from the outlet pipe is necessary to ensure uniform removal of electrolysis gases during the intake of metal from the electrolyzer.

Claims

A device for collecting and removing gases released from an aluminum electrolyzer equipped with an automatic alumina feed system, comprising a collector beam with vertical double walls and gas ducts of variable cross section, the height of which increases to the end of the collector beam connected to the gas treatment system, and punches, characterized in that between the vertical walls of the beam-collector, in the zone of action of the punches, plates are installed with the formation of input channels provided with nozzles at the entrance to the gas duct and to ensure the necessary speed and direction of movement of the gas flows, the ratio of the area of the outlet cross section of the nozzle to the cross-sectional area of the gas duct in the region of the outlet cross section of the nozzle is made with a decrease to the end of the electrolyzer connected to the gas cleaning system.