Ограничитель утечки для электролизера

Ограничитель утечки для электролизера

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к производству алюминия электролизом расплава. В частности, оно относится к средствам удержания отходящих газообразных продуктов, выделяющихся во время электролиза.

Предшествующий уровень техники

Металлический алюминий производят в промышленных масштабах электролизом расплава, т.е. электролизом глинозема, растворенного в ванне расплавленного криолита, называемой ванной электролита, с использованием способа, известного как способ Холла-Эру. Ванна электролита содержится в резервуарах, называемых «электролизными ваннами» и включающих в себя стальной кожух, футерованный изнутри огнеупорными и/или изоляционными материалами, и катодное устройство, расположенное на дне электролизной ванны. Аноды из углеродистого материала частично погружены в ванну электролита. Всю установку, состоящую из электролизной ванны, анодов и ванны электролита, называют электролизером.

В результате реакции электролиза, вторичных реакций и действия высоких рабочих температур происходит выделение отходящих газов (газообразных отходов), в состав которых входят, прежде всего, диоксид углерода и фтористые вещества. Выброс этих отходящих газов в атмосферу строго контролируется и регламентируется, причем не только в том, что касается атмосферы в электролизном цехе в силу требований к условиям труда персонала, работающего вблизи электролизеров, но также и с точки зрения загрязнения внешней атмосферы. Законодательством многих государств в области охраны окружающей среды налагаются ограничения на количества выбрасываемых в атмосферу газообразных отходов.

В настоящее время существуют решения, позволяющие достаточно надежно и удовлетворительно удалять, собирать и обрабатывать эти отходящие газы. Широко распространенное решение состоит в оснащении электролизеров устройствами для улавливания отходящих газов. Такое устройство закрывает электролизер и содержит средства удержания (заключения в оболочку), которые включают в себя, в частности, устройство укрывания и средства отсасывания и химической обработки отходящих газов. Известные способы обработки отходящих газов включают в себя, в частности, улавливание фтористых газов за счет реакции с глиноземом. Устройство укрывания содержит средства доступа, такие как крышки, обычно выполняемые съемными (подвижными), и рабочий люк, который позволяет вмешиваться в работу электролизера.

Устройство укрывания ограничивает закрытую зону отсасывания, ограниченную по размеру и находящуюся в условиях разрежения по сравнению с окружающей атмосферой, что позволяет эффективно извлекать отходящие газы. Таким образом в наиболее современных промышленных установках добиваются коэффициента улавливания в непрерывном режиме свыше 97%, при этом уровень выбросов в атмосферу фтористых газообразных продуктов значительно ниже регламентированных пределов.

Как правило, аноды соединяют с токоподводящей шиной, находящейся снаружи устройства улавливания, через металлические штанги, которые проходят внутрь этого устройства через выполненные в нем отверстия. Свободное пространство (или «зазор»), оставляемое(ый) штангами в этих отверстиях, не уплотняют, чтобы не мешать горизонтальным и вертикальным перемещениям металлических штанг. Вертикальные перемещения осуществляются наиболее часто и позволяют, в частности, компенсировать расходование анодов во время электролиза. Горизонтальные перемещения, как правило, связаны с операциями по замене отработанных анодов.

В патенте США №5128012 раскрыто, например, устройство закрывания анодного металлического кожуха электролизера типа Содерберга (с самообжигающимся анодом), предназначенное для ограничения выделения в окружающую атмосферу образуемых анодом отходящих газообразных продуктов обжига. Описанное там анодное устройство электролизера оснащено средствами удержания, имеющими пропускные отверстия для вставки анодных штырей. Однако в данном документе предусматривается лишь то, что штыри вставляются в указанные отверстия и перемещаются в них вертикально.

В электролизерах с предварительно обожженными анодами свободные пространства между анодными штангами и внутренним краем отверстий для прохода этих анодных штанг представляют собой разрыв в ограничивающей оболочке, что не имеет большого значения для каждой анодной штанги, но становится существенным для всего набора анодов в электролизере, а тем более для электролизной серии из нескольких сотен электролизеров.

Раскрытие изобретения

В настоящем изобретении предлагается ограничитель утечки, выполненный с возможностью уменьшения разрыва в ограничивающей оболочке, имеющего место в отверстиях для прохода анодных штанг. Более конкретно, ограничитель утечки согласно изобретению предназначен для ограничения прохождения воздуха и отходящих газов между внутренним и наружным пространствами устройства улавливания электролизера для производства алюминия электролизом расплава через отверстия для прохода анодных штанг.

Ограничитель утечки в электролизере согласно изобретению характеризуется тем, что он содержит, по меньшей мере, один держатель, выполненный с возможностью охвата всей или части анодной штанги, и, по меньшей мере, одно гибкое уплотнительное тело, расположенное по всему или по части периметра (контура) держателя и предназначенное для перекрывания всего или части свободного пространства между внутренним краем отверстий для прохода анодной штанги и самой анодной штангой.

Гибкое тело обеспечивает определенную герметичность вокруг анодной штанги и позволяет сохранять эту герметичность благодаря гибкости такого тела, даже несмотря на неизбежные изменения положения штанги. В частности, настоящее изобретение позволяет существенно ограничить газовый обмен через упомянутое свободное пространство.

Держатель предпочтительно выполнен в виде гнезда для упрощения конструкции ограничителя утечки и позволяет вставлять анодную штангу сбоку через отверстие в этом гнезде.

В настоящем изобретении также предлагается электролизер, содержащий, по меньшей мере, один ограничитель утечки в соответствии с настоящим изобретением.

Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего подробного описания варианта его реализации со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 представляет собой вид в поперечном разрезе типового электролизера, предназначенного для производства алюминия.

Фиг.2 представляет собой упрощенный вид в перспективе части типового электролизера, предназначенного для производства алюминия, (а) без ограничителя утечки и (b) с ограничителем утечки согласно изобретению.

Фиг.3-5 иллюстрируют ограничители утечки согласно изобретению.

Фиг.6 иллюстрирует вид U-образной щетки ограничителя утечки согласно одному из вариантов реализации изобретения.

Фиг.7 иллюстрирует поперечное сечение по оси I U-образной щетки ограничителя утечки, показанного на Фиг.5.

Фиг.8 иллюстрирует сечения I'-C' ограничителя утечки, показанного на Фиг.5.

Фиг.9 и 10 иллюстрируют варианты вставки анодной штанги в ограничители утечки согласно изобретению.

Как показано на Фиг.1, электролизер (1) для производства алюминия способом Холла-Эру обычно содержит электролизную ванну (10), аноды (2), поддерживаемые при помощи средств крепления, обычно содержащих штангу (3) и кронштейн (4) анододержателя и механически и электрически соединенных с анодной рамой (5) при помощи средства (6) соединения. Анодная штанга (3) обычно имеет по существу прямоугольное или квадратное сечение. Электролизная ванна (10) содержит стальной кожух (7), элементы (8) внутренней футеровки и катодное устройство (9). Элементы (8) футеровки и катодное устройство (9) образуют внутри электролизной ванны (10) тигель, который приспособлен для содержания ванны (11) электролита и слоя (12) жидкого металла.

Электролизер (1) содержит также металлическую несущую конструкцию (13), на которую опираются, в частности, подвижным образом анодная рама (5) и устройство улавливания отходящих газов, содержащее средства (14, 15) удержания и ограничивающее закрытое внутреннее пространство (16). Средства удержания обычно содержат съемные крышки (14) и неподвижную крышку (15).

Как показано на Фиг.2(а), устройство улавливания содержит отверстия (17), выполненные с возможностью свободного прохода анодной штанги (3). Это отверстие чаще всего выполнено в виде зубцеобразного выреза для обеспечения вставки анодной штанги. Как правило, аноды вводят в электролизер или вынимают из него путем вставки сбоку после удаления одной или нескольких крышек (14). Как следствие, отверстие (17) выполнено таким образом, чтобы оно обеспечивало вставку штанги (3) анода (2) сбоку, причем с ее продольным перемещением или без такого перемещения, то есть с ее перемещением или без перемещения вдоль главной оси электролизера.

На Фиг.2(b) схематически показано позиционирование ограничителя (20) утечки согласно изобретению в отверстии (17) для прохода анодной штанги.

Ограничитель (20) утечки электролизера (1) для производства алюминия, оснащенного средствами (14, 15) удержания, имеющими пропускные отверстия (17) для вставки анодных штанг (3), отличается тем, что он содержит, по меньшей мере, один держатель (21), выполненный с возможностью охвата всей или части анодной штанги, и, по меньшей мере, одно гибкое уплотнительное тело (30, 30а, 30b, 30c), расположенное по всему или по части периметра (23) держателя (21) и предназначенное для перекрывания всего или части свободного пространства между внутренним краем (18) отверстия (17) и анодной штангой (3).

Держатель (21) может иметь различные формы, такие как по существу прямолинейные, криволинейные или другие. Кроме того, держатель (21) может быть образован несколькими элементами.

В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения упомянутый держатель или держатели (21) имеют проем или «вырез» (26), выполненный с возможностью вставки сбоку анодной штанги (3). Проем (26) обычно имеет U-образную форму или выполнен в виде трехсторонней рамки. Упомянутое уплотнительное тело или уплотнительные тела (30, 30а, 30b, 30c) расположены по внутреннему периметру (23) проема (26).

В этом варианте реализации ограничитель (20) утечки охватывает, по меньшей мере, три стороны анодной штанги (3). Уплотнительное тело (30) может иметь такую форму, чтобы перекрывать также четвертую сторону штанги. В случае необходимости, ограничитель (20) утечки может содержать дополнительный перекрывающий элемент (20'), выполненный подвижным или съемным с возможностью ограничения утечек через четвертую сторону после вставки штанги. Этот дополнительный перекрывающий элемент (20') может содержать держатель (21'), оснащенный гибким уплотнительным телом (30'). Этот дополнительный элемент может быть установлен, при необходимости, на неподвижной крышке (15) или на подвижной крышке (14), находящейся рядом с анодной штангой.

На Фиг.3 показан случай, когда уплотнительное тело образовано одним элементом (30). На Фиг.4 показан случай, когда уплотнительное тело образовано тремя отдельными, расположенными рядом друг с другом элементами (30а, 30b, 30c).

Как показано на Фиг.5, уплотнительное тело примыкает к анодной штанге, но не обязательно соприкасается с ней. Оно может быть отделено от штанги расстоянием в несколько миллиметров, обычно 2 или 3 мм, при этом существенным образом не нарушая герметичности, достигнутой благодаря устройству согласно изобретению.

Гибкое уплотнительное тело может быть образовано любым гибким элементом, выполненным с возможностью эффективного перекрывания всего или части упомянутого свободного пространства. Оно может быть выполнено, например, из нитей, полосок (лепестков), губчатых тел или гибких (мягких) трубок или любого их сочетания. Оно может быть металлическим или неметаллическим.

Гибкое уплотнительное тело (30) предпочтительным образом приспособлено к сопротивлению атмосфере внутреннего пространства (16) электролизера и к сохранению своих механических свойств при воздействии температур, достигаемых в этой среде.

Гибкое уплотнительное тело (30) предпочтительно образовано пучком металлических и/или неметаллических нитей. Заявитель установил, что пучок нитей обеспечивает сохранение определенной герметичности вокруг анодной штанги благодаря плотности расположения нитей, и что эта герметичность сохраняется благодаря гибкости нитей, даже несмотря на неизбежные изменения положения штанги. Нити обеспечивают также сохранение хорошей герметичности независимо от дефектов поверхности анодной штанги.

Как было отмечено, удовлетворительный результат достигается при использовании нитей из нержавеющей стали. Уплотнительные тела, выполненные из таких нитей, хорошо противостоят механическим нагрузкам под действием анодной штанги во время ее перемещений и обладают хорошей гибкостью.

Нити пучка (30) расположены достаточно плотно друг к другу для того, чтобы обеспечивать потерю напора между наружным пространством и внутренним пространством устройства улавливания. Как было обнаружено, достаточно обеспечить линейную плотность 100-1000 нитей на сантиметр вдоль периметра. Обычно толщина пучка превышает 0,5 см. Диаметр нитей обычно находится в пределах от 0,1 до 1 мм. Угол α раскрытия пучка металлических нитей обычно составляет от 0 до 45°, а предпочтительно - от 0 до 30°. Длина L металлических нитей, выступающих из держателя, обычно составляет от 1 до 10 см.

Согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения, по меньшей мере одно гибкое уплотнительное тело (30, 30а, 30b, 30c) закрепляют на втором держателе или «оправе» (32), подвижном(-ой) по отношению к держателю (21), то есть выполненном(-ой) с возможностью перемещения относительно держателя (21).

В этом варианте держатель (21) обычно содержит удлиненную щель (22) по своему внутреннему периметру (23), и в этой щели подвижно установлена оправа (32). В этом случае оправа (32) и гибкое уплотнительное тело (30, 30а, 30b, 30c) образуют подвижный узел или «выдвижной блок» (31), который улучшает самопозиционирование средств уплотнения при перемещениях анодной штанги. Движение узла (31) оправа/уплотнительное тело является по существу перпендикулярным по отношению к анодной штанге (3).

В этом варианте реализации настоящего изобретения гибкое уплотнительное тело (30, 30а, 30b, 30c) и оправа (32) предпочтительно выполнены из немагнитных материалов, чтобы избежать создания магнитной силы в присутствии интенсивного магнитного поля, которое присутствует вокруг электролизера, что позволяет избежать блокирования упомянутого движения этим магнитным полем. Например, оправа (32) предпочтительно выполнена из алюминия или алюминиевого сплава, а нити - из немагнитной нержавеющей стали.

Подвижность элементов (31) в держателе (21) может облегчить их обслуживание или замену в случае износа или повреждения.

Предпочтительно, ограничитель (20) утечки дополнительно содержит, по меньшей мере, один соединительный элемент (25) между держателем (21) и одной или каждой оправой (32) для контроля за перемещением упомянутого или упомянутых уплотнительных тел (30, 30а, 30b, 30c) относительно держателя (21). Обычно соединительный элемент закреплен на оправе (32). По меньшей мере один соединительный элемент является, предпочтительно, упругим элементом, таким как пружина или упругая пластина, для обеспечения самопозиционирования щетки или щеток относительно анодной штанги (3). В случае необходимости, можно использовать серьги и/или направляющие средства, при необходимости - в комбинации с упомянутым или упомянутыми упругими элементами.

На Фиг.5-8 показан предпочтительный вариант реализации настоящего изобретения, в котором уплотнительное тело (30, 30а, 30b, 30c) выполнено из нитей, закрепленных в одной подвижной оправе (32), выполненной с возможностью перемещения относительно рамки (21).

На Фиг.5(b) показан вид в продольном разрезе ограничителя, показанного на Фиг.5(а), с узлом (31) оправа/нити, называемым «щеткой» и частично находящимся внутри держателя (21). Профиль анодной штанги (3) показан пунктирной линией. На Фиг.6 отдельно показана щетка (31) в своей основной плоскости (а) и сбоку (b).

Вставка анодной штанги (3) сбоку обычно осуществляется вдоль оси I-I', показанной на Фиг.5 и 6. На Фиг.9 и 10 показаны два варианта вставки анодной штанги. Фиг.9 соответствует случаю вставки в одном направлении. Фиг.10 соответствует случаю вставки по двум направлениям с перемещением ограничителя утечки относительно электролизера.

Держатель (21) и оправа (32) предпочтительно выполнены из металла, чтобы обеспечить достаточную механическую прочность. Предпочтительным образом можно использовать алюминий и алюминиевые сплавы, которые являются немагнитными.

Жесткость держателя (21) позволяет, кроме того, оператору, в случае необходимости, опираться ногой на ограничитель утечки без опасности его повреждения.

Ограничитель (20) утечки может быть закреплен жестко или подвижно в электролизере и, в частности, на каком-либо элементе его конструкции или на устройстве улавливания. Для этого держатель (21) предпочтительно содержит средства (24) для его крепления, предпочтительно разъемного, к электролизеру. Разъемное крепление, выполняемое, например, при помощи болтов и гаек (29), позволяет легко снимать ограничитель утечки, не трогая анода.

Хотя во многих случаях достаточно осуществить жесткое крепление, все же подвижное крепление обеспечивает ограничителю утечки дополнительную степень свободы и позволяет ему легче занять соответствующее положение относительно анодной штанги. Эта дополнительная степень свободы особенно важна в том случае, когда отверстие (17) для прохода анодной штанги имеет большой размер по сравнению с сечением штанги, и обеспечивает последней большой люфт во время ее установки и/или использования.

Эта степень свободы имеет также значение, когда отверстие (17) имеет более сложную форму, чем простой зубцеобразный вырез, и когда анодную штангу (3) вводят в отверстие (17) по двум направлениям, то есть когда при установке штанги ее перемещают в продольном и поперечном направлениях относительно главной оси электролизера, как показано на Фиг.10. В этом случае ограничитель утечки обычно имеет открытое положение (Фиг.10(а)) и закрытое положение (Фиг.10(b)). В этом случае ограничитель (20) утечки предпочтительно содержит один или несколько дополнительных перекрывающих элементов (33, 34), таких как пластина, предназначенных для сохранения герметичности ограничителя во время его перемещений. Эти дополнительные элементы могут быть выполнены неподвижными или подвижными. В случае необходимости, подвижный ограничитель (20) утечки может взаимодействовать с одним или несколькими неподвижными перекрывающими элементами (20') для сохранения герметичности устройства во время его перемещений. Перемещения ограничителя утечки могут направляться при помощи направляющего элемента (35), такого как рельс.

Когда ограничитель (20) утечки содержит металлические элементы, в частности, рядом с анодной штангой, такие как металлический держатель или металлические нити, то предпочтительно электрически изолировать ограничитель утечки от электролизера с тем, чтобы избежать короткого замыкания во время манипуляций (управления) анодом. Такое изолирование может быть достигнуто путем размещения электрического изолятора (27, 28, 28') между ограничителем утечки и электролизером. Например, как показано на Фиг.8, ограничитель (20) утечки изолирован от электролизера (1) при помощи изоляционной пластины (27), установленной между держателем (21) и средством (15) удержания, и при помощи трубки (28) и шайбы (28'), установленных между крепежными средствами (29) и средством (15) удержания.

Простота механизма уплотнения ограничителя утечки согласно изобретению обеспечивает ему достаточную стойкость по отношению к окружающим условиям и, в частности, к наличию пыли глинозема или измельченной ванны электролита, которые могут заблокировать или мешать работе механизмов, содержащих поворотные оси или оси вращения.

Преимуществом ограничителя утечки согласно изобретению является также то, что он занимает небольшой объем. Общая толщина ограничителя согласно изобретению обычно составляет всего от 3 до 4 см, что позволяет легко его позиционировать между анодной рамой (5) и крышкой (15).

Преимуществом настоящего изобретения является также то, что он не требует ни ручных операций, ни специального устройства привода, что делает его использование более простым и повышает его надежность.

Список обозначений

1 Электролизер

2 Аноды

3 Средство крепления и подвода тока (штанга)

4 Средство крепления и подвода тока (кронштейн)

5 Анодная рама

6 Средства соединения штанги с анодной рамой

7 Кожух

8 Внутренняя футеровка

9 Катодное устройство

10 Электролизная ванна

11 Ванна электролита

12 Жидкий алюминий

13 Металлическая несущая конструкция

14 Средство удержания (съемная крышка)

15 Средство удержания (неподвижная крышка)

16 Закрытое внутреннее пространство

17 Отверстие для прохода анодной штанги

18 Внутренний край отверстия для прохода анодной штанги

20 Ограничитель утечки

20' Дополнительный перекрывающий элемент

21, 21' Держатель ограничителя утечки

22 Удлиненная щель

23 Внутренний периметр держателя

24 Средство крепления

25 Соединительный элемент

26 Проем ограничителя

27 Электрический изолятор (пластина)

28 Электрический изолятор (трубка)

28' Электрический изолятор (шайба)

29 Болт и гайка

30, 30а, 30b, 30 с, 30' Гибкое уплотнительное тело

31 Узел оправа/подвижное уплотнительное тело

32 Оправа

33, 34 Дополнительный перекрывающий элемент

35 Направляющее средство

1. Ограничитель (20) утечки электролизера (1) для производства алюминия, оснащенного средствами (14, 15) удержания, имеющими пропускные отверстия (17) для вставки анодных штанг (3), отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере один держатель (21), выполненный с возможностью охвата всей или части анодной штанги, и по меньшей мере одно гибкое уплотнительное тело (30, 30а, 30b, 30с), расположенное по всему или по части периметра (23) держателя (21) и предназначенное для перекрывания всего или части свободного пространства между внутренним краем (18) отверстия (17) и анодной штангой (3), и тем, что держатель или держатели (21) имеют проем или вырез (26), выполненный с возможностью вставки анодной штанги (3) сбоку.

2. Ограничитель (20) утечки о п.1, отличающийся тем, что упомянутое или каждое из упомянутых гибких уплотнительных тел (30, 30a, 30b, 30с) образовано по меньшей мере одним элементом, выбранным среди нитей, полосок, губчатых тел, гибких трубок или их комбинации.

3. Ограничитель (20) утечки по п.1, отличающийся тем, что упомянутое или каждое из упомянутых гибких уплотнительных тел (30, 30a, 30b, 30с) образовано пучком металлических и/или неметаллических нитей.

4. Ограничитель (20) утечки по п.3, отличающийся тем, что упомянутый пучок нитей выполнен из нержавеющей стали.

5. Ограничитель (20) утечки по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что по меньшей мере одно гибкое уплотнительное тело (30, 30a, 30b, 30с) закреплено на втором держателе или «оправе» (32), подвижном(-ой) по отношению к держателю (21).

6. Ограничитель (20) утечки по п.5, отличающийся тем, что упомянутое гибкое уплотнительное тело (30, 30a, 30b, 30с) и оправа (32) выполнены из немагнитных материалов.

7. Ограничитель (20) утечки по п.5, отличающийся тем, что он дополнительно содержит по меньшей мере один соединительный элемент (25) между держателем (21) и упомянутой или каждой из упомянутых оправ (32) для контроля за перемещением упомянутого или упомянутых уплотнительных тел (30, 30a, 30b, 30с) относительно держателя (21).

8. Ограничитель (20) утечки по п.6, отличающийся тем, что он дополнительно содержит по меньшей мере один соединительный элемент (25) между держателем (21) и упомянутой или каждой из упомянутых оправ (32) для контроля за перемещением упомянутого или упомянутых уплотнительных тел (30, 30a, 30b, 30с) относительно держателя (21).

9. Ограничитель (20) утечки по п.7 или 8, отличающийся тем, что по меньшей мере один соединительный элемент (25) является упругим.

10. Электролизер (1) для производства алюминия, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере один ограничитель (20) утечки по любому из пп.1-9.

11. Электролизер (1) по п.10, отличающийся тем, что упомянутый или каждый из упомянутых ограничителей (20) утечки жестко закреплен в электролизере.

12. Электролизер (1) по п.10, отличающийся тем, что упомянутый или каждый из упомянутых ограничителей (20) утечки подвижно закреплен в электролизере.

13. Электролизер (1) по п.12, отличающийся тем, что упомянутый или каждый из упомянутых ограничителей (20) утечки содержит по меньшей мере один дополнительный перекрывающий элемент (33, 34), предназначенный для сохранения герметичности каждого ограничителя (20) при его перемещениях.

14. Электролизер (1) по любому из пп.10-13, отличающийся тем, что упомянутый или каждый из упомянутых ограничителей (20) утечки закреплен в электролизере съемным образом.

15. Электролизер (1) по любому из пп.10-13, отличающийся тем, что между электролизером и по меньшей мере одним ограничителем (20) утечки установлен по меньшей мере один электрический изолятор (27, 28, 28′).

16. Электролизер (1) по п.14, отличающийся тем, что между электролизером и по меньшей мере одним ограничителем (20) утечки установлен по меньшей мере один электрический изолятор (27, 28, 28′).