Отчет по практике: Способы сбора отходящих газов при производстве алюминия

Запыленный газовый поток несет частицы разного размера. Проходя слой фильтрующего материала, например ткани, газовый поток встречает на пути волокна и изменяет свое направление, обтекая их.

Крупные частицы при этом отклоняются от направления потока под действием сил инерции и могут столкнуться с волокнами ткани, подойдя к ним настолько близко, что прилипнут к ним.

У мелких частиц сила инерции мала, поэтому они продолжают следовать за газовым потоком, огибая волокна. Однако, чем меньше масса и размер частицы пыли, тем больше она подвержена влиянию сил броуновского движения, под действием которых частица движется в случайном направлении и может столкнуться с волокном, прилипая к его поверхности. При значительной турбулентности газового потока осаждению частиц способствуют также вихревые потоки. Движение потока газа через ткань приводит к появлению электростатического заряда на поверхности волокон и частиц пыли. Знак и величина заряда зависят от свойств волокон и частиц пыли. Наличие заряда на поверхности волокон и частиц пыли также способствует улавливанию частиц пыли.

В начальный момент фильтрования, когда ткань чистая, преобладают указанные причины осаждения пыли и формируется первичный слой осадка на фильтре. При этом размер пор уменьшается, и в дальнейшем возможно улавливание пыли, основанное на отсеивающем эффекте, когда размер пор уменьшится и станет меньше размера частиц. Эффективность очистки при этом возрастает, но вместе с этим растет и гидравлическое сопротивление фильтра. Для обеспечения длительной работы фильтра необходимо периодически удалять уловленную пыль, т. е. регенерировать фильтровальный материал. Интервал времени между циклами фильтрования и регенерации может быть от 3 - 4 мин до нескольких часов. Для регенерации проводят обратную продувку либо встряхивают фильтровальную ткань.

В цветной металлургии наиболее широко применяются рукавные фильтры (рисунок 14), в которых фильтрующим элементом служит бесшовный рукав из фильтроткани диаметром 125 - 300 мм (наиболее часто 220мм). Рукава группируют в плане прямыми рядами или в шахматном порядке и подвешивают вертикально в корпусе фильтра. Длина рукавов обычно составляет от 2 до 4м и ограничена размерами корпуса по высоте.

Рисунок 14 - Рукавный фильтр: а - поперечный разрез; б - продольный разрез; 1 - корпус; 2 - площадка для облуживания; 3 - распределительная решетка; 4 - бункер; 5 - затвор; 6 - общий бункер; 7 - шнек; 8 - коллектор чистого газа; 9, 17 - пневмоцилиндры клапанов; 10 - пневмоцилиндр встряхивающий; 11, 15 - клапаны; 12 - подвеска рукавов; 13 - рукав; 14 - затвор.

Поверхность фильтрования одного рукава около 2м ², а общая поверхность фильтрования зависит от числа параллельно работающих рукавов в фильтре и достигает 280 - 560м ² для фильтров типа РФГ. Выпускаются также укрупненные рукавные фильтры конструкции института Гинцветмет типа УРФМ с площадью фильтрации до 2300м ². Принципиальных отличий в конструкции фильтров РФГ и УРФМ нет.

Поток газа направляют в нижнюю часть рукавов, верхний конец которых заглушён и подвешен к устройству для встряхивания и регенерации. Корпус фильтра разделен внутри на секции, в нижней части которых имеются бункеры для сбора пыли. Регенерация фильтров осуществляется механическим встряхиванием и обратной продувкой.[2]

При малых скоростях фильтрации запыленного газа через тканевые фильтры можно добиться высокой степени очистки газов (до 99%).

Тканевые фильтры находят широкое применение в электролитическом производстве алюминия для сухой очистки отходящих газов не только от пыли, но и фторсодержащих соединений.[1]

11. Особенности технологии сухой очистки отходящих газов

Мокрые способы очистки, в основном используемые при очистке газов, выделяющихся при электролизе, начинают уступать место сухим методам. В последние годы все более широкое распространение находит метод сухой сорбционной очистки газов цехов электролиза, основанный на адсорбции фтористого водорода глиноземом.

В настоящее время самой совершенной, соответствующей новым требованиям, считается система сухой очистки с замкнутым контуром, состоящая из реакторов, обеспечивающих контакт газ - глинозем и последующих рукавных фильтров для улавливания прореагировавшего глинозема и твердых частиц. Принципиальная схема сухой газоочистки представлена на рисунке 15.

Опубликованные предположительные гипотезы о механизме реакции, происходящей при сорбции фторводорода на глиноземе, достаточно противоречивы. Однако можно считать, что количество активных центров, на которых происходит реакция абсорбции фторводорода глиноземом, не зависит от типа глинозема и составляет 8 гидроксильных групп на 100 квадратных ангстрем площади поверхности глинозема. Это объясняет прямо пропорциональную зависимость между сорбционной способностью глинозема и его удельной поверхностью (м ²/г), измеренной по изотерме адсорбции азота (BET), которая считается наиболее важным параметром при выборе качества глинозема для cyxoй очистки отходящих газов. В настоящее время считается достаточной величина удельной поверхности BET не менее 30 - 45 м ²/г.

Сухая очистка газов основана на адсорбции HF глиноземом. Этот принцип является общим для всех аппаратурно-технологических схем сухой очистки электролизных газов. Процесс схематично может быть представлен следующим образом

Рисунок 15 - Принципиальная схема сухой очистки газа

Как известно, промышленный глинозем включает в себя ряд модификаций оксида алюминия - α-А1₂О₃, β-A1₂O₃, γ-А1₂О₃ и др. Свойства глинозема зависят от используемого сырья, способа и параметров технологического процесса получения глинозема и ряда других факторов. Как было показано выше, адсорбционная способность глинозема зависит от его удельной поверхности, а наличия активных модификаций глинозема (γ-А 1₂О ₃), способных его адсорбировать. Выполненные в ВАМИ исследования показали, что в промышленных глиноземах содержание α-А 1₂О ₃ колеблется в пределах 18 - 50%, и с увеличением содержания этой модификации в глиноземе величина удельной поверхности S снижается, а высокая степень адсорбции сохраняется до момента, соответствующего заполнению мономолекулярного слоя HF на поверхности глинозема. Расчетная емкость мономолекулярного слоя Х_m составляет (гHF/гAl₂O₃).

X_m = [(S · M)/(N · A_m)] · 10^-20 = 0,292 · 10^-3 · S,

где M - молекулярный вес HF;

A_m - посадочная площадка молекулы HF;- число Авогадро.

Для глинозема с удельной поверхностью S = 45 м ²/г сорбционная емкость глинозема Х_m составит

Х_m = 0,292 · 10 ³ · 45 = 0,013,

т.е. 1г глинозема может адсорбировать 0,013г HF или 1,3%. До достижения этой величины степень улавливания HF сохраняется на уровне 99 - 99,5%, после чего резко снижается. Наиболее важная переменная при проектировании установок сухой очистки - время контакта глинозема с потоком очищаемого газа. Оказалось, что время от одной до трех секунд является наиболее подходящим для хорошей адсорбции фторидов. Более короткое время контакта можно использовать в тех случаях, когда удается достичь хорошего распределения частиц глинозема по всему потоку газа. Многочисленные модификации аппаратурно-технологических схем сухой очистки газов состоят из (рисунок 16):

устройства для контактирования газа с глиноземом (реактор);

пылеуловителя для улавливания глинозема и другой пыли (как правило, рукавный фильтр, в отдельных случаях электрофильтр);

системы транспорта глинозема;

дымососа для транспортировки газа;

автоматизированной системы управления процессом.

Конечным продуктом при сухой очистке газов является фторированный глинозем, возвращаемый в электролизеры. Таким образом, сухая газоочистка является наиболее малоотходной технологией очистки газа.

Рисунок 16 - Схемы очистки электролизных газов зарубежных фирм: а - "Балко"; 6 - "Лурги"; в - "Флект"; г - "Просидейр"; 1 - электролизер; 2 - электрофильтр: 3 - вентилятор; 4 - скруббер; 5 - реактор; 6 - рукавный фильтр

Фторированный глинозем помимо HF содержит уловленную электролизную пыль, в состав которой входят твердые фториды, С, Fе, Si и др., которые, попадая в электролизер, вызывают снижение качества алюминия или нарушают технологический процесс. Рост содержания примесей в глиноземе прямо пропорционален кратности циркуляции глинозема через реактор и количества, используемого для сухой очистки. Минимальный прирост примесей имеет место при работе реактора без циркуляции, т.е. при использовании всего глинозема "на проток".

Наиболее широко внедрены в производство системы сухой очистки электролизных газов, разработанные компаниями Flakt и Procedair. Находят применение системы компаний Lurgi-Vaw, Alcoa, Alcan, Кайзер и др. Несмотря на большое разнообразие конструктивных решений, наибольший интерес представляет конструкция двух узлов: устройство для контактирования отходящего газа с пылью (реактор) и устройство для улавливания фторированного глинозема.

11.1 Типы реакторов

По времени контакта газа с глиноземом различают два основных типа реактора:

на рисунке 17 приведена схема очистки газов с подачей глинозема в поток очищаемого, газа. Для повышения эффективности очистки необходимо, чтобы глинозем был равномерно распределен по всему потоку газа. Обычно глинозем вводится в поток газа через различного вида сопла (Alcan), а некоторые фирмы используют насадки Вентури (Flakt, Procedair) для обеспечения хорошего турбулентного перемешивания и диспергации частиц глинозема в потоке газов. Большинство таких реакторов имеют устройство для рециркуляции глинозема, что приводит к повышению эффективности улавливания, но вызывает дополнительную истираемость глинозема и увеличение абразивного износа оборудования.

^{Глинозем-→}

Рисунок 17 - Система очистки газов с подачей Al₂O₃ в поток газа: 1, 2 - бункер свежего (1) и фторированного (2) глинозема; 3 - корпус электролиза; 4 - электролизер; 5 - дымосос

другим основным типом реакторов (рисунок 18) является система с кипящим слоем. В этой системе очищаемый газ контактирует с глиноземом путем пропускания поднимающегося потока газа через расширяющийся слой глинозема. Слой глинозема движется вдоль горизонтального перфорированного листа, а поток газа проходит через отверстия, создавая эффект кипящего слоя. Свежий глинозем подается с одной стороны реактора и удаляется с другого конца, а для улавливания унесенных потоком газа частиц глинозема используется рукавный фильтр.

Рисунок 18 - Система очистки газа в реакторе с кипящим слоем: 1 - 5 - то же, что и на рисунке 3; 6 - реактор с кипящим слоем

Преимуществом системы реакторов с кипящим слоем является то, что даже при прекращении подачи глинозема кипящий слой сохраняет способность эффективно улавливать фториды в течение нескольких часов и, кроме того, в этих системах весь глинозем проходит через реактор, что упрощает систему подачи глинозема. Основным недостатком этой системы является то, что кипящий слой создает большой перепад давлений и, следовательно, требует большого расхода электроэнергии.

.2 Устройства для улавливания фторированного глинозема

В подавляющем большинстве систем в качестве пылеуловителей применяют рукавные фильтры, изготавливаемые из иглопробивного нетканого полиэфирного полотна. Лишь фирма Alcoa использует для этой цели мешочные фильтры. По данным компании Lurgi-Vaw ряд компаний в настоящее время отказываются от электрофильтров (используемых ранее для улавливания фторированною глинозема) и переходят на применение рукавных фильтров. Таким образом, наиболее эффективным и широко распространенным устройством для улавливания фторированного глинозема являются pукавные фильтры. Регенерация рукавных фильтров (очистка их от осевшею фторированною глинозема) осуществляется в настоящее время импульсной подачей воздуха низкого давления, что уменьшает износ рукавов и увеличивает срок их службы. Известно, что фирма Procedair, применявшая ранее фильтры с пульсирующей обратной продувкой, также переходит на фильтры с импульсной регенерацией сжатым воздухом низкого давления. Срок службы таких рукавов по промышленным данным Саянского алюминиевого завода составляет не менее 5 лет.

Все ведущие фирмы по производству газоочистных сооружений применяет модульный принцип. Модуль состоит из реактора и рукавного фильтра и способен очистить от 70 до 100 тыс. м ³ за в час. Из таких модулей собирается установка, к которой может быть подключена большая группа ванн. Рассмотрим конструктивные решения систем сухой очистки газов фирм Flakt и Procedair и сравним их с системами других фирм.

12. Система фирмы Flakt

Улавливание фторидов в установках этой фирмы осуществляется в реакторах и рукавных фильтрах. Установка собирается из модулей "реактор-рукавный фильтр" производительностью 70-100 тыс. м ³/ч каждый. Так, для серии электролизеров с ОА на 180 кА достаточно иметь две установки производительностью по 940 тыс. м ³/ч каждая из 14 модулей.

Реактор в модуле представляет собой, по существу, низконапорную трубу Вентури - вертикальный газоход, расширяющийся кверху и сопряженный с входным патрубком рукавного фильтра. Особенностью рукавных фильтров является их импульсная регенерация воздухом низкого давления (200 кПа).

Газ отсасывается из коллектора неочищенного газа и проходит через модули "реактор-рукавный фильтр", где очищается от HF и пыли и дымососами выбрасывается в атмосферу через дымовую трубу. Перед каждым фильтром в поток неочищенного газа производится дозированная подача свежего (первичного) глинозема. Адсорбция HF происходит как в реакторе, так и в фильтрующем слое глинозема на рукавах фильтра. Неочищенный газ с глиноземом и пылью при помощи распределительного устройства, установленного на входе в фильтр, равномерно распределяется на все рукава. Глинозем с адсорбированными фторидами и пылью образует на рукавах фильтрующий слой, в котором происходит адсорбция HF и пылеулавливание. Пыль с рукавов периодически удаляется импульсной продувкой и собирается в бункере фильтра.

Каждый фильтр имеет корпус, в котором размещены 380 фильтрующих рукавов диаметром 127мм и длиной 5м из иглопробивного полиэфирного фильтровального материала общей площадью фильтрации 766м ². Система транспорта свежего первичного глинозема для одной установки на корпус состоит из основного силоса емкостью 1000 т, из которого глинозем подается в буферный силос вместимостью 150 т. Из буферного силоса глинозем через расходомер распределяется на 14 фильтрующих модулей. Через распределительный короб с псевдоожиженным слоем и 14 переливных отверстий попадает по аэрожелобам к модулям. Количество первичного глинозема задается расходомером, а количество рециркулирующего - регулируется специальным устройством, расположенным в днище бункера фильтра. Изменяя число оборотов шнека, можно регулировать подачу глинозема на рециркуляцию. Отработанный (вторичный) глинозем из корпуса фильтра шнеком подается в аэрожелоб, а затем аэролифтом в силос вторичного глинозема и в корпус электролиза.

Фирма гарантирует содержание на выходе из установки: НF - не более 1 мг/нм ³; твердых фторидов - не более 1 мг/нм ³; пыли - не более 5 мг/нм ³. В России установки этой фирмы эксплуатируют на САЗе и обеспечивают проектные показатели - согласно статистическим данным выбросы фтора на этом заводе самые низкие из российских заводов и не превышают 0,35кг фтора на тонну произведенного алюминия, т.е. на уровне лучших зарубежных показателей.

13. Система фирмы Procedair

Эта компания так же как и Flakt широко применяет сухую очистку электролизных газов; по ее данным на декабрь 1994 г. 11 226 электролизеров в разных странах мира, производящих около 4,4 млн т алюминия в год, оборудовано ее системами.

Рисунок 19 - Модуль сухой очистки фирмы "Procedair": 1 - тельфер; 2 - вентилятор для обратной продувки рукавов; 3 - сменный блок рукавов; 4, 5 - рукава в режиме продувки (4) и очистки (5) газа; 6 - индикатор разрежения; 7- очищенный газ; 8 - многолопастной демпфер; 9 - дно бункера с псевдоожиженным слоем; 10 - сброс излишков глинозема; 11 - дренаж; 12 - дымосос; 13 - транспортер фторированного глинозема; 14 - крышка; 15 - воздушный отсек для продувки рукавов; 16 - запорный клапан; 17 - отсос; 18 - реактор Вентури; 19 - приемная воронка; 20 - клапан рециркуляции глинозема; 21 - распределительный шит; 22- электропневматический клапан; 23 - задвижка; 24 - транспортер подачи свежего глинозема; 25 - газ на очистку