专利名称：处理生产铝的电解槽的排放物的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据Hall-Héroult方法通过火成电解(électrolyseignée)生产铝。本发明更特别涉及电解槽产生的气体排放物的处理。
背景技术：
金属铝通过火成电解进行工业生产，即根据一种著名的Hall-Héroult方法通过在一种叫做电解液的熔化冰晶石熔液中通过氧化铝溶液的电解进行生产。电解反应、二次反应以及作业的高温导致产生气体排放物，这些排放物特别含有二氧化碳、含氟的产物和(氧化铝、电解液等的)灰尘。
这些排放物在大气中的排放受到严格的控制和规定，这不仅由于在电解槽附近作业的人员的安全问题而涉及电解车间的环境气体方面，而且还涉及大气污染方面。一些国家在污染物方面的规定对排放到大气中的排放物的量做出了限制。
现在存在一些可以以可靠和令人满意的方式封闭、收集和处理这些排放物的方法。在最先进的工厂中，通过一个外罩封闭排放物，通过抽吸收集排放物，并在一个化学处理设施中进行处理，以便通过与“新鲜”的氧化铝粉末的反应回收含氟气体，“新鲜”氧化铝粉末即含有很少或完全无氟的氧化铝粉末。含氟气体吸附在氧化铝上。然后氧化铝和来自电解槽的灰尘从废气中分离，并全部或部分重新利用，提供给电解槽。氧化铝在处理设施中流动的流量一般是连续的。
排放物处理设施一般包括一个或几个反应器和一些用于使氧化铝与废气分离的过滤器，排放物在反应器中与氧化铝粉末接触，使排放物与氧化铝粉末起作用。一部分与废气分离的氧化铝可以重新进入到反应器中，以便提高处理效率。
处理设施一般包括一组并列的处理单元，每个单元包括一个反应器和一个过滤箱，过滤箱包括一些过滤装置(一般为过滤袋或过滤筒)和一个带有流化底部的料斗。以Procédair公司为名的法国专利申请FR 2692497(相当于澳大利亚专利AU 4 007 193)描述了一种处理单元，其中反应器和过滤器合并在一个共同的箱子中。
由于一个工厂的利润率的原因，铝的生产者力求得到尽可能高的电解电流强度，同时保留甚至改进电解槽的运行条件。但是提高电流强度导致排放物的流量增加和排放物的温度提高。然而，排放物的高温可能导致排放物处理性能变坏，甚至处理设施损坏，尤其是通常使用的聚合物材料制成的过滤器的纤维损坏。
可以在处理设施的上游用环境空气进行稀释来降低温度。但是这种方法导致要处理的气体的总体积流量大大增加，这就需要大大增加需要的处理设施的尺寸，以便保持来自电解槽的排放物的处理流量，这个流量是设备的有效流量。处理设施尺寸的增加提高了投资和运行的成本。另外，通过环境空气冷却排放物还具有对环境温度敏感的缺点。
因此申请人研究了一种工业上可以接收并且很经济的装置，这些装置可以处理电解槽的高温排放物，即温度一般高于约120℃。
发明内容
本发明的目标是一种处理通过火成电解生产铝的电解槽产生的排放物的方法，该方法包括在处理装置的上游冷却排放物。
更准确地说，本发明的目标是处理通过火成电解生产铝的电解槽产生的排放物的方法，在这种方法中，通过至少一个管道把排放物输送到包括至少一个反应器和一个分离设备的处理装置中，使排放物和氧化铝粉末进入反应器，以便使排放物中的含氟的产物与氧化铝起作用，并且通过分离设备使氧化铝从废气中分离，该方法的特征在于，在处理装置的上游将一种冷却流体的液滴注入到至少一个排放物输入管道中。
本发明的目的还在于一种处理通过火成电解生产铝的电解槽产生的气体排放物的设备，该设备包括至少一个输送所述排放物的管道、至少一个反应器和一个分离设备，其特征在于该设备另外包括一个把一种冷却流体的液滴注入到至少一个输送管道中的注入设备。
通过所述液滴的汽化冷却排放物。申请人出人意外地发现，这种方法可以有效地冷却一个电解槽的排放物，而不破坏电解槽或处理设施的运行。
本发明可以增加质量流量，因此增加一个处理设施的有效流量，而不增加设备的尺寸。可以增加一个工厂的电解槽的强度，而不改变排放物处理设施的尺寸。
本发明还可以减小处理设施的尺寸，而不减小电解槽处的“有效”吸入流量或处理效率，即不增加电解车间的天窗处的rejets。这在建设一个新的处理设施时是非常有意义的，并且避免与通过环境空气稀释排放物有关的设备尺寸超大。
本发明可以增加一个工厂的电解槽的强度，而不需要用更大尺寸的设备更换现有设备。
排放物的冷却还导致它们的有效流量减小，这样会降低过滤速度，因此减小过滤器的磨损，由于负荷损失更小，而密度的增加没有抵消小的负荷损失，因此抽风机的电耗降低。
通过下面的详细描述和附图可以更好地了解本发明。
图1示意性地表示一个电解槽，该电解槽设有一个典型的现有技术的气体排放物处理设施。
图2示意性地表示一个电解槽，该电解槽设有一个符合本发明一个实施例的气体排放物处理设施。
图3示意性地表示一个符合本发明的一个实施例的冷却流体液滴注入设备。
图4示意性地表示符合本发明的排放物处理设施的一个变型。
具体实施例方式如图1所示，一个生产铝的电解槽1包括一个槽2、部分浸在电解液5中的含碳电极3和一个给氧化铝浴液供电的设备4。槽2覆盖一个能够封闭电解槽1产生的气体排放物的外罩10。外罩10一般包括一些可以全部或部分拆卸的外壳。
排放物包括一个气体部分(包含空气、二氧化碳和含氟的产物)和一个固体部分或“灰尘”(包含氧化铝、电解液等)。一般通过一个或几个位于处理设施12-19下游的风扇21的抽吸从外罩10取出排放物。通过一个或几个管道11将排放物输送到处理装置12-19。处理可以提取包含在排放物中的含氟的产物，并留下一小部分含有可忽略不计的含氟的产物的废气。因此这部分废气是排放物的没有与氧化铝起作用的气体部分。
根据本发明，处理至少一个通过火成电解生产铝的电解槽1产生的气体排放物的方法包括在处理装置12-19的上游使排放物冷却。
在本发明的一个推荐实施例中，处理至少一个通过火成电解生产铝的电解槽1产生的气体排放物的方法包括[27]一通过至少一个管道11把所述排放物输送到处理装置12-19，处理装置包括[28]◆一个能够通过与氧化铝粉末16的反应提取包含在排放物中的含氟的产物的反应器12；[29]◆一个能够分离来自反应器12的氧化铝和残余气体部分并且包括过滤装置14的分离设备13；[30]-将排放物和氧化铝粉末引入到所述反应器12中，以便使排放物与氧化铝起作用；[31]-通过分离设备13分离氧化铝和残余气体部分；[32]-把来自分离设备13的氧化铝，叫做“含氟氧化铝”全部或部分输送到一个或几个电解槽1；[33]该方法的特征在于另外包括在至少一个位于反应器12上游的点P把一种冷却流体的液滴注入到输送管道或至少一个输送管道11中，以便在排放物进入反应器12之前通过所述流体的汽化冷却排放物。
用于提取排放物中的含氟的产物的所谓“新鲜”氧化铝一般来自一个储藏塔16。
分离作业产生的“含氟”氧化铝18的一部分17可以重新进入到反应器12中，以便提高处理效率。
分离设备13产生的全部或部分含氟氧化铝向电解槽1的输送可以是直接的或间接的。
反应器12上游的注入点P的位置示意性地示于图2、4。注入点P一般在包括反应器12的处理系统19的上游。
冷却流体的注入点P在输送管道11中的位置一般为使液滴在到达反应器12前完全汽化。这样可以避免液态冷却流体进入反应器，而液态冷却流体进入反应器可能导致氧化铝的装卸问题和过滤装置的损坏。注入点P与每个反应器12之间可以得到液滴完全汽化的距离D一般大于15m。
冷却流体的液滴最好在遇到注入点的一个近壁或第一个障碍之前完全汽化。这样可以避免液滴对管道11壁的冲击和/或流体的聚集，这种冲击和聚集可能导致管道的腐蚀。为此，液滴最好向排放物流动的方向注入。同样为了这个目的，冷却流体的液滴最好以一个开放角α小的分散锥(或洒水锥)40的形状注入，α一般小于20°左右(见图3)。同样，形成的液滴尺寸最好为在注入点与最近障碍之间的行进过程中完全汽化。
液滴汽化的时间取决于排放物的温度和液滴的尺寸。液滴汽化期间经过的距离取决于排放物的速度。发明人估计，对于典型的工业设备和大约150℃的温度，液滴的尺寸最好小于100μm，以便使液滴可以在到达一个障碍物或反应器前完全汽化。液滴的尺寸一般在1μm到100μm之间，因为小于1μm的液滴很难产生。可以通过带有一个提供冷却流体和压缩空气混合物的喷嘴得到非常细小的液滴。
该方法还包括在冷却流体进入输送管道11前的预热，以便减少汽化需要的时间。这个变型还可以降低一般为120℃的温度限，低于这个限度，液滴就不能在到达反应器前完全汽化。可以通过在注入排放物以前使冷却流体的引入管道35与排放物的输送管道11接触或冷却流体与排放物的输送管道11直接接触进行预热。冷却流体一般加热到一个确定的温度，这个温度最好在流体汽化温度以下10°到20°。
根据本发明的一个变型，使排放物在一个位于反应器12上游的文氏管中流动，并把全部或部分冷却流体的液滴注入到文氏管中。换句话说，符合本发明的方法包括使流体在一个文氏管中流动，并且所述冷却流体液滴的注入至少部分在文氏管中进行。排放物在文氏管中的湍流运动可以改善液滴的搅拌作用，并加速它们的汽化。一部分冷却流体的液滴也可以注入到文氏管的上游和/或下游。
也可以使这些不同的方法结合，以有利于液滴的迅速汽化(向排放物流动的方向注入液滴，形成小开放角度的洒水锥，形成小尺寸的液滴，冷却流体进入排放物流和/或排放物在文氏管中经过前的预热)。
可以借助反应器入口附近的检测器(如光学系统或湿度计)控制液滴的汽化率。
需要的冷却流体的流量取决于排放物的温度、需要的温度降和冷却流体汽化的潜热。当冷却流体为纯水时，流量一般在0.2-2g水/Nm3排放物/℃之间，而更一般为0.1-1g水/Nm3排放物/℃之间。因此，例如为了使一个流量为100Nm3/秒的排放物的温度降低10℃，一个0.5g水/Nm3排放物/℃的流量相当于一个500g/秒的总流量。
一般从液相开始通过所述流体的雾化产生所述液滴。可以用至少一个喷嘴产生这种雾化。
可以用连续或不连续的方式产生液滴。
冷却流体最好为水或一种含水的液体，因为水具有非常高的汽化潜热。含水液体可以是一种水溶液。冷却流体也可以包括一种能够避免腐蚀和/或改进排放物的处理的添加剂。
根据本发明的一个实施例，根据测量值和/或确定的标准调节所述液滴的生产率或冷却流体的流量。例如，可以根据恰好在排放物进入反应器之前测量的排放物温度以追溯的方式调节流体的流量，更准确地说在一个距反应器一个距离Dm的点T处测量的温度(见图4)。换句话说，符合本发明的处理方法包括至少在一个距离反应器12的距离为Dm的点T上测量排放物的温度，并且根据测量的温度调节流体的流量。根据这个实施例的一个变型，可以根据恰好在排放物进入反应器12前测量的排放物温度和一般在注入设备30的上游或下游测量的排放物流量以追溯的方式调节流体的流量。也可以在注入设备30上游测量排放物的温度，以便确定冷却流体的汽化率。
根据本发明，处理至少一个通过火成电解生产铝的电解槽1产生的气体排放物的设备包括处理装置12-19和一个在所述处理装置上游的冷却设备29。
在本发明的一个推荐实施例中，冷却设备29包括至少一个能够在处理装置12-19的上游把液滴注入到所述排放物中的注入设备30。
更确切地说，由火成电解生产铝的至少一个电解槽1产生的气体排放物的处理设施包括[53]-处理装置12-19，这些处理装置包括[54]◆至少一个能够通过与氧化铝粉末16的反应提取包含在所述排放物中的含氟的产物的反应器12；[55]◆至少一个能够分离来自反应器12的氧化铝和残余气体部分并包括过滤装置14的分离设备13；[56]-至少一个把所述排放物输送到所述处理装置12-19的管道11，[57]-把全部或部分来自分离设备13的氧化铝，叫做“含氟氧化铝”输送到一个或几个电解槽1的装置23、24、25，[58]该设施的特征在于另外包括一个在至少一个位于反应器12上游的点P把一种冷却流体的液滴注入到输入管道或至少一个输入管道11中的注入设备30。
反应器12和分离设备13可以组合在一个统一的处理系统19中。
每个反应器12一般包括使氧化铝粉末处于悬浮状态的装置。这个变型使氧化铝有效地与管道11输送的气体排放物起作用。
分离设备13的过滤装置14一般合并在一个封闭箱15内。
通过输出管道18从分离设备13出来的一部分“含氟”氧化铝可以通过一个分流管道17重新进入反应器12。
输送装置23、24、25一般包括储存装置24、运输管道23，以及分配管道25。
来自分离设备13的残余气体部分(即除去含氟的产物的排放物的气体部分)一般通过排放装置20、21、22排出。这一部分也可以通过补充的装置进行处理。
如图3所示，把一种冷却流体注入到输送管道11中的注入设备30一般包括至少一个注入装置31和一个冷却流体源39。注入设备30可以包括一个泵38。在本发明的一个实施例中，注入装置31是一个雾化装置，如一个或几个喷嘴。雾化装置可以形成至少一个可以是有方向的冷却流体液滴的分散锥形(或“洒水锥”)40。注入设备30也可以包括一个过滤器36，用于阻止可能堵塞雾化装置31的颗粒。注入装置31最好由一种能够耐腐蚀的材料制成或覆盖一种能够耐腐蚀的材料。
根据本发明的一个变型，注入设备30还包括一个压缩空气源34。
注入设备30可以另外包括调节装置33、37，如一个冷却流体的压力和/或流量的调节器37。在注入设备30包括一个压缩空气源34的本发明的变型中，注入设备30最好包括一个压缩空气的压力调节器33。注入设备30还可包括测量冷却流体和/或空气压力和/或流量的装置。这些装置可以控制或操纵注入设备30。控制或操纵可以由一个操作员、一个自动装置或一个调节系统进行。
输送管道11可以在它的全部或部分内壁上、特别是在液滴的注入点P附近包括一个防腐蚀涂层。
根据本发明的一个变型，处理设施包括一个位于反应器12上游的文氏管，并且至少一个冷却流体液滴注入点P位于文氏管中。一个或几个注入点也可以位于文氏管的上游和/或下游。
根据本发明的另一个变型，处理设施包括一个调节系统50，该调节系统包括至少一个测量反应器12上游的排放物温度的探头51(更准确地说是在一个距离反应器12确定距离的点T进行测量)和注入设备30的一个操纵中心52。操纵中心52根据测量的温度值追溯作用在冷却流体的压力和/或流量调节器37上，和/或压缩空气的压力调节器33上。操纵进行的方式是避免排放物的温度超过一个确定的阈值Tm。
试验[72]已经用符合本发明的方法和设备在电解铝生产槽上进行了冷却试验。
处理设施与图2的设施类似，并且另外包括一个在水滴注入点下游的文氏管。注入设备包括一个被压缩空气带动的喷嘴。
冷却流体为常温下的水。冷却水的注入是连续的，并持续了三星期。
排放物来自三个在495kA下运行的电解槽。排放物的流速大约为9Nm3/秒。没有引入冷却流体的排放物在反应器入口的温度约为150℃。水的注入可以使电解槽的温度大约降低8℃。温度降甚至达到20℃。
申请人:注意到，一个足以明显降低排放物温度的冷却水的流量使排放物的水含量增加得非常少。更准确地说，一个大约2.1l/分钟注水流量足以使排放物的温度降低8℃左右，这导致使大约0.3％重量的水进入排放物流中，而未注水的排放物的含水量在0.9-1.1％重量(根据环境空气的湿度，观察值一般在0.1-2％重量)。
申请人:还观察到，出人意外的是，处理时，只有非常少的注入水固定在氧化铝上，并且当通过注水使排放物冷却时，电解槽排放的含氟的产物并没有增加。注入到排放物中的水几乎全部被送走，因此氧化铝的含水量没有明显的变化。
排放物中存在水不会破坏处理设施的性能。在试验的过程中，平均性能甚至得到改善，发明人认为这得益于排放物平均温度的降低。
这些试验还表明，氧化铝的磨耗率(即摩擦形成的细小颗粒)比没有注入冷却水时更小。在三周的冷却期间，磨耗率从一个大约为10％的值下降到大约5％。
数字标记表1 电解槽2 槽3 电极4 提供氧化铝的装置5 电解液10 外罩11 输送管道12 反应器13 分离设备14 过滤器15 封闭箱
16 新鲜氧化铝源17 含氟氧化铝的分流管道18 含氟氧化铝的输出管道19 处理系统20 排出管道21 风扇22 烟道23 含氟氧化铝的运输管道24 含氟氧化铝的储存装置25 含氟氧化铝的分配管道29 冷却设备30 注入设备31 注入装置32 压缩空气入口33 压缩空气的压力调节器34 压缩空气源35 冷却流体入口36 过滤器37 冷却流体的压力和/或流量调节器38 泵39 冷却流体源40 冷却流体液滴的分散锥50 调节系统51 测量排放物温度的探头52 操纵中心
权利要求
1.由火成电解生产铝的至少一个电解槽(1)产生的气体排放物的处理方法，该方法包括—通过至少一个管道(11)把所述排放物输送到处理装置(12-19)，该处理装置(12-19)包括◆一反应器(12)，其能够通过与氧化铝粉末(16)的反应提取包含在排放物中的含氟的产物；◆一分离设备(13)，其能够分离来自所述反应器(12)的氧化铝和残余气体部分，并且包括过滤装置(14)；—将排放物和氧化铝粉末引入到所述反应器(12)中，以便使排放物与氧化铝起作用；—借助所述分离设备(13)分离氧化铝和残余气体部分；—把来自所述分离设备(13)的氧化铝全部或部分输送到一个或几个电解槽(1)；该方法的特征在于另外包括在位于所述反应器(12)上游的至少一点(P)处，把一冷却流体的液滴注入到所述的或至少一个输送管道(11)中，以便在排放物进入所述反应器(12)之前通过所述流体的汽化使排放物冷却。
2.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述冷却流体在所述输送管道(11)中的注入点(P)布置成使液滴在到达所述反应器(12)前完全汽化。
3.如权利要求1或2所述的处理方法，其特征在于，在排放物流动的方向上注入液滴。
4.如权利要求1至3中任一项所述的处理方法，其特征在于，所述冷却流体的液滴以分散锥(40)的形状注入，所述分散锥(40)的开放角α小于约20°。
5.如权利要求1至4中任一项所述的处理方法，其特征在于，液滴的尺寸在1μm到100μm之间。
6.如权利要求1至5中任一项所述的处理方法，其特征在于，通过所述流体的雾化产生所述液滴。
7.如权利要求1至6中任一项所述的处理方法，其特征在于，所述冷却流体是水或一含水的液体。
8.如权利要求1至7中任一项所述的处理方法，其特征在于，该方法包括在距所述反应器(12)一确定距离Dm的至少一个点(T)处测量所述排放物的温度，并根据测量的温度调节流体的流量。
9.如权利要求1至8中任一项所述的处理方法，其特征在于，该方法另外包括在所述冷却流体进入所述输送管道(11)前，预热所述冷却流体。
10.如权利要求1至9中任一项所述的处理方法，其特征在于，该方法另外包括使所述排放物在一位于所述反应器(12)上游的文氏管中流动；并且，将至少一部分冷却流体液滴注入到文氏管中。
11.由火成电解生产铝的至少一个电解槽(1)产生的气体排放物的处理设施，其包括—处理装置(12-19)，该处理装置至少包括◆一反应器(12)，其能够通过与氧化铝粉末(16)的反应提取包含在所述排放物中的含氟的产物；◆一分离设备(13)，其能够分离来自所述反应器(12)的氧化铝和残余气体部分，并且包括过滤装置(14)；—至少一个把所述排放物输送到所述处理装置(12-19)的管道(11)，—把全部或部分来自所述分离设备(13)的氧化铝输送到一个或多个电解槽(1)的装置(23、24、25)，该设备的特征在于另外包括一注入设备(30)，在位于所述反应器(12)上游的至少一个点(P)处，它把一冷却流体的液滴注入到所述的或至少一个输入管道(11)中。
12.如权利要求11所述的处理设施，其特征在于，每个反应器(12)包括使氧化铝粉末(16)处于悬浮状态的装置。
13.如权利要求11或12所述的处理设施，其特征在于，把冷却流体注入到所述输送管道(11)中的注入点(P)布置成使液滴在到达所述反应器(12)前全部汽化。
14.如权利要求11至13中任一项所述的处理设施，其特征在于，所述的把冷却流体注入到所述输送管道(11)中的注入设备(30)包括至少一个在雾化装置中选取的注入装置(31)。
15.如权利要求14所述的处理设施，其特征在于，所述雾化装置包括至少一个喷嘴。
16.如权利要求11至15中任一项所述的处理设施，其特征在于，所述处理设施包括一个位于所述反应器(12)上游的文氏管；并且，冷却流体液滴的至少一个注入点(P)位于文氏管中。
17.如权利要求11至16中任一项所述的处理设施，其特征在于，所述输送管道(11)在它的全部或部分内壁上包括一防腐涂层。
18.如权利要求11至17中任一项所述的处理设施，其特征在于，所述注入设备(30)另外包括调节装置(33、37)。
19.如权利要求18所述的处理设施，其特征在于，所述调节装置(33、37)包括一冷却流体的压力和/或流量的调节器(37)。
20.如权利要求18或19所述的处理设施，其特征在于，所述处理设施包括一个调节系统(50)，该调节系统(50)包括至少一个测量所述反应器(12)上游的排放物温度的探头(51)和所述注入设备(30)的一操纵中心(52)。
全文摘要
本发明涉及一种处理至少一个电解槽(1)产生的气体排放物的方法和设备，其中通过至少一个管道(11)把所述排放物输送到处理装置(12－19)，处理装置(12－19)包括至少一个能够通过与氧化铝粉末(16)的反应提取包含在排放物中的含氟的产物的反应器(12)，和一个能够分离来自反应器(12)的氧化铝和残余气体部分并且包括过滤装置(14)的分离设备(13)。根据本发明，处理前，通过在至少一个位于反应器(12)上游的点(P)把一种冷却流体的液滴注入到输送管道(11)中，并通过所述流体的汽化使排放物冷却。本发明可以有效冷却电解槽的排放物，而又不影响电解槽的运行。
文档编号C25C3/22GK1729040SQ200380106696
公开日2006年2月1日 申请日期2003年12月15日 优先权日2002年12月18日
发明者G·吉罗, E·库奇尼, C·旺沃伦 申请人:皮奇尼铝公司