專利名稱：用于收集和去除來自鋁電解槽的氣體的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及有色金屬冶金，更具體地涉及電解制鋁中的氣體收集和去除工藝。
背景技術(shù)：
在冶金工藝中，更具體地在氧化鋁電解制鋁工藝中，電解槽是已知的。電解槽中包含上端開口的槽(tank)和由金屬條支撐的碳?jí)K形成的基部。該碳?jí)K與襯墊連接并用作陰極。該槽包含由溶解在冰晶石中并加熱到約950℃至1050℃的氧化鋁組成的電解浴。將碳制陽極浸入該冰晶石浴中。
在電解槽中通電流時(shí)，該氧化鋁分解為鋁并形成在陰極上沉積的金屬熔體。在上述過程中釋放氧氣。碳陽極的下部浸入到高溫電解浴中。由于存在可燃的氧氣，當(dāng)其上部軟化時(shí)該陽極已被燃燒。
陽極的燃燒伴隨著大量煙氣釋放，所述煙氣由例如二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、氣態(tài)氫氟酸、以及碳、氧化鋁和含氟化合物的粒子組成。電解槽的頂部通常會(huì)形成固態(tài)結(jié)皮(crust)。該結(jié)皮堵住電解槽中的氣體從而形成累積的壓力。結(jié)皮通常破裂以降低累積的壓力并使得累積的氣體逸散。
所述氣體含有對(duì)人體健康和環(huán)境不利的有害化合物。因此，這些氣體必須進(jìn)行收集并凈化。電解槽的產(chǎn)量的增長導(dǎo)致氣體收集和凈化方面的尖銳問題。由于生產(chǎn)設(shè)施規(guī)模和數(shù)量的增長以及嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)，氣體處理的成本迅速增長。另外，電解槽中氣體去除不充分還會(huì)降低產(chǎn)鋁效率，并經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致更多的氣體釋放到工作間里。因此，建筑物中的空氣對(duì)呼吸的危害更大，在將空氣通到大氣之前需要進(jìn)行更加昂貴的過濾和凈化工藝處理。
從電解槽中收集氣體的一般方法包括從建筑物的屋頂或容納空間收集氣體。收集單元會(huì)收集從多個(gè)獨(dú)立電解槽中釋放的氣體。大量的氣體必須在離開設(shè)備之前進(jìn)行凈化，但是令人感到不舒適的是有害氣體的濃度通常足夠低，卻也能被呼吸到。為了對(duì)大型設(shè)施中的空氣量進(jìn)行凈化，需要龐大和昂貴的過濾系統(tǒng)。(6,790,337)Hall-Heroult型電解槽的上部通常包括由包含抽氣系統(tǒng)的蓋子或外殼組成的陽極上部結(jié)構(gòu)。還可以附加若干附屬設(shè)備，例如帶有插孔(jack)的陽極梁、結(jié)皮破碎器、以及上部結(jié)構(gòu)內(nèi)的原料定量給料系統(tǒng)。抽氣系統(tǒng)，更精確地說是陽極上部結(jié)構(gòu)上的氣體管道可以分成兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)(右/左)，其通到優(yōu)選地沿著室壁排列的收集管道。
前蘇聯(lián)專利1473718公開了將上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間通過橫板在高度上分為五個(gè)收集區(qū)的氣體收集和去除裝置。每個(gè)收集區(qū)延伸通過上部結(jié)構(gòu)的長度，并大致上相當(dāng)于覆蓋槽的兩個(gè)擋板或兩個(gè)外罩擋板的寬度。在上述設(shè)備中，相鄰兩個(gè)隔板間的間隔形成適合從各個(gè)收集區(qū)去除氣體用的預(yù)定管道。這些管道合并為與中央抽吸設(shè)備連接的聯(lián)合氣體收集主管。通過安裝在各個(gè)管道上的溫度傳感器和可旋轉(zhuǎn)擋板(節(jié)流板)控制由每個(gè)管道抽吸收集到的氣體量。該現(xiàn)有技術(shù)的裝置的首要目標(biāo)是在電解槽的不同操作模式下自動(dòng)控制氣體收集強(qiáng)度。
通過隔板將上述專利的上部結(jié)構(gòu)氣體導(dǎo)管再分為具有固定橫截?cái)嗝鍿1的平行管道系統(tǒng)大大增加了各個(gè)裝置不需要的氣動(dòng)阻力(gas-dynamic resistance)。為了克服上述相當(dāng)大的阻力，需要采用低壓區(qū)域或真空。此外，安裝在各個(gè)管道上的節(jié)流板產(chǎn)生額外的氣動(dòng)阻力導(dǎo)致氧化鋁在管道內(nèi)沉積。高溫、摩擦顆粒、氟化合物以及磁場也會(huì)妨礙或是甚至基本上阻止節(jié)流板的正常操作。
管道內(nèi)沉積的氧化鋁將管道內(nèi)的氣流重新分布使得氣體無法在電解槽的整個(gè)長度內(nèi)勻速去除。
由于該現(xiàn)有技術(shù)裝置的上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間用固體橫板進(jìn)行再分，因此不可能安裝和使用氧化鋁自動(dòng)進(jìn)料(AAF)的計(jì)量設(shè)備。該現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備的另一主要缺點(diǎn)在于大幅度限制了使用具有彼此連接的側(cè)母線(side busbars)的全部陽極母線。
俄羅斯專利2,218,453教導(dǎo)了一種從裝有氧化鋁自動(dòng)進(jìn)料計(jì)量設(shè)備的氧化鋁電解槽收集和去除氣體的裝置。組成該裝置的上部結(jié)構(gòu)由垂直壁、上下部加強(qiáng)部件和帶有適用于氣體收集和去除的抽吸口或窗口的氣體導(dǎo)管形成。上部結(jié)構(gòu)的垂直壁含有兩個(gè)元件。這樣，形成從上部結(jié)構(gòu)的頂部收集和去除氣體用的兩個(gè)氣體管道。限制設(shè)備安裝成與各個(gè)氣體管道成一角度，從而形成具有恒定寬度和可變高度的抽吸槽。氣體管道的高度朝連接氣體處理系統(tǒng)的上部結(jié)構(gòu)的末端的方向增加。
在該現(xiàn)有技術(shù)的裝置中，氣體噴流(jet)垂直而快速地進(jìn)入氣體管道形成使得設(shè)備氣流的氣動(dòng)阻力增加的渦流區(qū)。氣體處理系統(tǒng)中稀薄度(真空度)越高，氣流阻力越大。結(jié)果，未能提供去除電解槽整個(gè)長度內(nèi)氣體所需的稀薄度(真空度)。在該裝置中，僅能有效去除部分電解槽內(nèi)的氣體。結(jié)果，電解槽整個(gè)長度內(nèi)氣體去除不均勻產(chǎn)生導(dǎo)致不希望的氣流穿透進(jìn)入電解車間的停滯區(qū)。
為了保證在電解槽整個(gè)長度上均勻收集氣體，僅改變了氣體管道S1的橫截?cái)嗝妗３槲跾2區(qū)域保持恒定寬度并沿著上部結(jié)構(gòu)的整體長度上開啟。在這種情況下，進(jìn)入的氣體量大幅超過氣體管道出口部分容量。另一種減少抽吸槽寬度的可能做法通常導(dǎo)致抽吸槽被氧化鋁掩埋掉。上述現(xiàn)有技術(shù)的裝置無法在不改變抽吸槽S2區(qū)域和各自結(jié)構(gòu)的情況下在電解槽的整體長度上均勻去除氣體。


圖1是示出了收集和去除氣體用的裝置元件的氧化鋁電解槽的局部視圖；圖2是示出了連接到上部結(jié)構(gòu)和電解槽外罩的氣體傳輸管道的氣體進(jìn)口部分的一個(gè)實(shí)施方式的上部結(jié)構(gòu)的局部視圖；圖3示出了連接到氣體傳輸管道的氣體進(jìn)口部分的另一實(shí)施方式；圖4示出了連接到氣體傳輸管道的氣體進(jìn)口部分的再一實(shí)施方式；圖5是示出了從電解槽去除氣體的估算效率的圖表(采用StarCD軟件制作)。
具體實(shí)施例方式
以下，參看全體附圖特別是作為釋放氣體的收集和去除用裝置的局部視圖的圖1。更具體地，圖1顯示了與電解槽的外殼或外罩(hooding)結(jié)合的陽極上部結(jié)構(gòu)1的局部視圖。該陽極上部結(jié)構(gòu)1通過至少兩個(gè)側(cè)壁2形成，從而限定了其間的操作空間19。至少一條氣體傳輸管道3在上部結(jié)構(gòu)的頂部區(qū)域9從近端12向遠(yuǎn)端14縱向延伸，所述遠(yuǎn)端14直接或間接連接到工廠氣體處理系統(tǒng)。氣體傳輸管道3至少由作為氣體管道和多個(gè)氣體進(jìn)口部分之間界面的頂壁15和底壁17形成。氣體傳輸管道3的橫截?cái)嗝鎱^(qū)域S1在遠(yuǎn)端14方向上增大。這樣，氣體傳輸管道3的垂直張力E在靠近與氣體處理系統(tǒng)連接處的遠(yuǎn)端14達(dá)到最大。在陽極上部結(jié)構(gòu)內(nèi)提供多對(duì)彼此隔開的面板5，它限定了多個(gè)垂直方向的氣體進(jìn)口部分6。面板5通常相對(duì)于側(cè)壁2為橫向并在操作空間19內(nèi)大致垂直地進(jìn)行延伸。
圖2、3、4最好地示出了氣體進(jìn)口部分6通過陽極上部結(jié)構(gòu)從外罩7上部區(qū)域提供的進(jìn)口16向設(shè)置在氣體傳輸管道3的出口18延伸。每個(gè)氣體進(jìn)口部分由在各自氣體進(jìn)口部分和氣體傳輸管道之間的界面17上提供的至少一個(gè)噴嘴8形成。在圖2的實(shí)施方式中，氣體進(jìn)口部分6用與界面17成一角度進(jìn)行設(shè)置的多個(gè)噴嘴8形成。
本發(fā)明的主要特征在于，出口區(qū)域的噴嘴8的橫截?cái)嗝婷娣e與位于噴嘴位置上的氣體傳輸管道3的橫截?cái)嗝婷娣e的比例(S2/S1)在與氣體處理系統(tǒng)結(jié)合的遠(yuǎn)端14的方向上減少。噴嘴的出口區(qū)域的橫截?cái)嗝婷娣e與噴嘴出口區(qū)域的氣體管道的橫截?cái)嗝婷娣e的比例(S2/S1)朝向與氣體處理系統(tǒng)連接的槽端減少。
在與氣體處理中心連接的槽的遠(yuǎn)端方向上沿著上部結(jié)構(gòu)中的氣體管道長度的區(qū)域之間的比例(S2/S1)下降，使得對(duì)氣動(dòng)阻力進(jìn)行分配成為可能。這樣可以沿著氣體管道的整個(gè)長度提供所需稀薄度(真空度)。這種設(shè)備有助于在槽的整個(gè)長度上均勻去除氣體。
氣體進(jìn)口部分設(shè)置在氧化鋁進(jìn)料系統(tǒng)結(jié)皮破碎器的操作區(qū)內(nèi)(所示為氧化鋁進(jìn)料系統(tǒng)破碎器桿的軸線和氧化鋁進(jìn)料系統(tǒng)料斗9)和槽金屬抽吸區(qū)10。這意味著在氣體從氧化鋁結(jié)皮等逸出的區(qū)域提供氣體進(jìn)口部分。這樣，安裝在該區(qū)域的外罩下的設(shè)備能最有效地收集氣體。
現(xiàn)在參看圖2，圖2示出了在擋板(closure)或外罩7與氣體傳輸管道3之間的陽極上部結(jié)構(gòu)內(nèi)提供的氣體進(jìn)口部分6的一個(gè)實(shí)施方式。在該實(shí)施方式中，相對(duì)面板5的大部分彼此之間大致平行。在界面17內(nèi)提供噴嘴8使得其縱軸(exe)設(shè)置成與界面成一銳角。噴嘴的這一取向有助于管道3內(nèi)氣體輸入和移動(dòng)。
在圖3的實(shí)施方式中，面板5A彼此設(shè)置成一角度，使得氣體進(jìn)口部分6A以錐形形成。這樣，氣體進(jìn)口部分的進(jìn)口區(qū)域16A的橫截?cái)嗝娲笾麓笥诎惭b在界面17A上的出口18A的橫截?cái)嗝?。在該?shí)施方式中，噴嘴8A包含用于進(jìn)一步在遠(yuǎn)端14的方向上引導(dǎo)輸入氣流的緩沖器22。圖3示出的氣體進(jìn)口部分8A還可以形成截錐體-圓錐體構(gòu)形。
以下參看示出了氣體進(jìn)口部分的再一實(shí)施方式的圖4。彼此隔開的面板5B彼此成一角度設(shè)置，并與氣體傳輸管道和各個(gè)氣體進(jìn)口部分之間的界面17B設(shè)置成一角度。氣體進(jìn)口部分的縱軸也設(shè)置成與界面成一角度。為了有助于氣流從氣體進(jìn)口部分6”平穩(wěn)進(jìn)入出口區(qū)域上的氣體傳輸管道3B，面板5B形成為具有曲線部分24B和26B。在氣體進(jìn)口部分進(jìn)入氣體傳輸管道的區(qū)域提供階梯狀構(gòu)造(step-type formulation)28B。
噴嘴的使用提供了所需的初始速度和氣流進(jìn)入氣體管道的角度，而不會(huì)形成渦流和停滯區(qū)。另外，噴嘴設(shè)置成與氣體傳輸管道成一角度有助于在氣體管道全長范圍內(nèi)分配流入的氣流。這大大降低了系統(tǒng)的氣動(dòng)阻力。
在電解槽工作期間來自結(jié)皮破裂的氣體逸散進(jìn)入外罩7下的空間。接著，流過氣體進(jìn)口部分6和噴嘴8的對(duì)流氣體進(jìn)入氣體傳輸管道3接著傳送到電解車間的氣體處理系統(tǒng)(圖中未示)。
圖5呈現(xiàn)了示出在電解槽全長范圍內(nèi)計(jì)算所得的氣體去除效率的圖表。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，僅僅S1(氣體管道的橫截?cái)嗝婷娣e)影響系統(tǒng)的變化。而在本發(fā)明的裝置中，S2/S1的比例在與電解車間氣體處理系統(tǒng)連接的氣體傳輸管道的遠(yuǎn)端方向上變動(dòng)和降低。在實(shí)踐試驗(yàn)中，根據(jù)圖2的實(shí)施方式制造氣體進(jìn)口部分。采用STAR-CD計(jì)算機(jī)流體力學(xué)程序?qū)ο嗤牟勰Ｊ竭M(jìn)行計(jì)算。用STAR-CD計(jì)算機(jī)流體力學(xué)程序?qū)ΜF(xiàn)有技術(shù)設(shè)備執(zhí)行得到的從電解槽去除氣體的數(shù)學(xué)模型顯示，氣體僅僅在電解槽全長的約一半范圍內(nèi)被去除。從圖5的圖表上顯然看出，隨著在與氣體處理系統(tǒng)連接的氣體傳輸管道的遠(yuǎn)端方向上S2/S1的比例下降，氣體在電解槽的全長范圍內(nèi)均勻地去除。在近端位置去除氣體的量的特定增長，必然需要從槽抽吸金屬的過程中均勻去除氣體。
上述本發(fā)明的用于收集和去除氣體的裝置的結(jié)構(gòu)提供了氣體傳輸管道內(nèi)所需的氣流速度和方向。盡管本發(fā)明是結(jié)合在本申請(qǐng)的附圖示出的具體實(shí)施方式
而進(jìn)行論述的，應(yīng)當(dāng)理解其它顯而易見的改動(dòng)都屬于本發(fā)明的范圍。例如，以上討論了具有至少一條氣體傳輸管道的陽極上部結(jié)構(gòu)。然而，應(yīng)當(dāng)理解，具有多個(gè)氣體傳輸管道和多排氣體進(jìn)口部分的本發(fā)明的實(shí)施方式也屬于本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于收集和去除由具有氧化鋁進(jìn)料系統(tǒng)的鋁電解槽所釋放的氣體的裝置，所述裝置包括陽極上部結(jié)構(gòu)，所述陽極上部結(jié)構(gòu)由以下結(jié)構(gòu)形成至少兩個(gè)彼此隔開以限定其間的操作空間的側(cè)壁；至少一條沿著所述上部結(jié)構(gòu)延伸的具有變化的橫截?cái)嗝娴臍怏w傳輸管道，所述至少一條氣體傳輸管道的遠(yuǎn)端與氣體處理系統(tǒng)相連，所述至少一條氣體傳輸管道的高度朝向所述遠(yuǎn)端增加；多個(gè)在所述上部結(jié)構(gòu)內(nèi)的氣體進(jìn)口部分，每個(gè)所述氣體進(jìn)口部分由相對(duì)所述側(cè)壁橫向延伸并彼此隔開的一對(duì)部件形成，每個(gè)所述氣體進(jìn)口部分從進(jìn)口向出口延伸通過所述上部結(jié)構(gòu)，所述出口提供在所述氣體傳輸管道上并適用于將所述氣體傳送到至少一條氣體管道；至少一個(gè)在每個(gè)所述氣體進(jìn)口部分和所述至少一條氣體傳輸管道之間的界面上形成的噴嘴，用以提供在至少一條氣體傳輸管道內(nèi)的所需的氣流速度和方向。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述噴嘴的出口橫截?cái)嗝婷娣e與位于所述噴嘴出口的所述氣體傳輸管道的橫截?cái)嗝婷娣e的比例在所述至少一條氣體傳輸管道的所述遠(yuǎn)端的方向上減小。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述裝置適于收集和去除由具有自動(dòng)氧化鋁進(jìn)料系統(tǒng)的鋁電解槽所釋放氣體。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述多個(gè)氣體進(jìn)口部分在所述氧化鋁進(jìn)料系統(tǒng)的操作區(qū)內(nèi)形成。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述氣體進(jìn)口部分提供在所述鋁電解槽的破碎器和金屬抽吸設(shè)備的位置。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述彼此隔開的部件彼此大致平行并與所述界面、延伸通過所述界面的噴嘴連接。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述界面是在所述多個(gè)氣體進(jìn)口部分和所述至少一條氣體傳輸管道之間縱向延伸的壁，每個(gè)所述噴嘴的縱軸設(shè)置成與所述縱向延伸的壁面成一銳角。
8.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，形成所述氣體進(jìn)口部分的部件彼此成一角度設(shè)置，使得每個(gè)所述氣體進(jìn)口部分形成錐體構(gòu)形，其中每個(gè)所述氣體進(jìn)口部分的進(jìn)口區(qū)域的橫截?cái)嗝娲笾麓笥谒鼋缑嫔咸峁┑某隹趨^(qū)域處的橫截?cái)嗝妗?br> 9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，各個(gè)所述噴嘴提供在各個(gè)氣體進(jìn)口部分的出口上，所述噴嘴帶有緩沖器使，得在與氣體處理系統(tǒng)結(jié)合的所述遠(yuǎn)端方向上進(jìn)一步引導(dǎo)氣流離開所述噴嘴進(jìn)入氣體傳輸管道。
10.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，每個(gè)所述氣體進(jìn)口部分具有截錐體-圓錐體構(gòu)形。
11.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，形成各個(gè)氣體進(jìn)口部分的所述彼此隔開的部件彼此之間以及相對(duì)所述界面成一角度，其中，每個(gè)所述氣體進(jìn)口部分的縱軸設(shè)置成與所述界面成一角度。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，在每個(gè)所述部件和所述界面之間提供所述曲線連接區(qū)域，促進(jìn)所述氣體從所述氣體進(jìn)口部分平穩(wěn)地進(jìn)入所述氣體傳輸管道。
全文摘要
在具有彼此隔開的兩個(gè)側(cè)壁的陽極上部結(jié)構(gòu)內(nèi)形成用于收集和去除由鋁電解槽所釋放氣體的裝置。至少一條具有變化的橫截?cái)嗝娴臍怏w傳輸管道沿著該上部結(jié)構(gòu)延伸到其末端與氣體處理系統(tǒng)相連。在該上部結(jié)構(gòu)內(nèi)部提供許多氣體進(jìn)口部分，每個(gè)氣體進(jìn)口部分由相對(duì)所述側(cè)壁橫向延伸并彼此隔開的一對(duì)部件形成。在該氣體傳送通道與相關(guān)的氣體進(jìn)口部分之間的界面上形成至少一個(gè)噴嘴。
文檔編號(hào)C25C3/00GK101092714SQ20071010134
公開日2007年12月26日 申請(qǐng)日期2007年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月18日
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