NO332375B1 - Punktmater med integrert avgassoppsamling samt en fremgangsmate for avgassoppsamling - Google Patents

Abstract

En elektrolysecelle der det produseres metaller må tilsettes en nøyaktig mengde råstoff (som alumina), og som en virkning av reaksjonen som skjer i cellen, må man trekke ut produktet (som aluminium) og fjerne eventuelle avfallsprodukter (som HF og C02). For å avkjøle cellen hensiktsmessig og sikre oppsamling av alle avgassene fra cellen, som ikke er gasstett, suges det normalt inn omtrent 100-150 ganger mer luft fra omgivelsene enn gassvolumet som produseres av cellen. Den foreliggende oppfinnelsen dreier seg om prinsippene om hvordan man kan utforme en innretning der man kan kombinere tilførsel av råstoffet alumina til cellen og samtidig trekke ut mer C02-konsentrerte avgasser fra cellen enn det som er standard fremgangsmåte i aluminiumsindustrien i dag. De tre totalvirkningene man får med hensyn til avgassene er. 1. Det tas ut et mindre totalvolum av gass fra cellen, med mulighet for å redusere den totale størrelsen på gassvaskerne. 2. Som følge av punkt 1 vil den oppsamlede prosessgassen få høyere temperatur enn før og er derfor mer egnet for varmeutvinning. 3. Hvis det suges inn mindre «falsk luft» til gassoppsamlingskamrene, øker konsentrasjonen av C02 i avgassene vesentlig, slik at det blir mulig å oppfange og skille ut C02 med standard teknologi som brukes til å fange opp C02 fra prosesser så som kraftanlegg.

Description

Den foreliggende oppfinnelsen dreier seg om en fremgangsmåte og en innretning for oppsamling av gasser i en elektrolysecelle, spesielt en celle for aluminiumsproduksjon.

I alle moderne elektrolyseceller for aluminiumsproduksjon med forhåndsbrente anoder har overbygningen over cellen flere individuelle punktmatere som er forbundet med cellens overbygning. Gassoppsamlingssystemet har flere innsugingspunkter langs prosessgasskanalen, som befinner seg øverst i overbygningen, men i form av et separat system inntil aluminamatesystemet. Siden minst én anode normalt må byttes ut hver dag, har moderne celler utstyrt med forhåndsbrente anoder en overbygning med flere deksler som dekker området mellom katoden og gassoppsamlingsringen som befinner seg like nedenfor anodebjelken, for å hindre at avgassene slipper ut i elektrolysehallen. For å unngå denne forurensningen er det normalt nødvendig med undertrykk (subatmosfærisk) inne i cellens overbygning, og gjennom disse åpningene suges det inn store mengder luft til gassavsugingssystemet sammen med avgassene for videre behandling, i dag fluoridgjenvinning og i noen tilfeller fjerning av svovel (rensing).

Lufta som trekkes inn i overbygningen gir også luftkjøling for den øvre delen av cellen med det utstyret som er installert der (pneumatisk, elektrisk og elektronisk utstyr). Under anodebyttingen må noen av dekslene åpnes. For å hindre at avgassene slipper ut i elektrolysehallen og beskytte operatørene mot gassene, kan det oppnås effektiv avgassoppsamling under denne operasjonen ved å øke sugevolumet vesentlig idet cellen settes i vedlikeholdssuging (Pot Tending Suction mode, PTS), for eksempel med en separat sugestreng. Ved hjelp av en ventil kan gassinnsugingen slås over fra normal til PTS, og det økte sugevolumet gjør det mulig å håndtere anodebyttingen med flere deksler åpne på cellen uten at det slipper ut avgasser i elektrolysehallen, d.v.s. at man opprettholder undertrykket inne i overbygningen til cellen.

Elektrolyseceller ble tilført alumina for mer enn et århundre siden ved å brekke opp den øvre skorpen av alumina manuelt og føre aluminapulver inn i cellen. Skorpebrytingen ble siden gjort med et skorpebrytende hjul, deretter en skorpebrytende bjelke og endelig en elektronisk styrt skorpebryter som installeres på stort sett alle nybygde smelteanlegg. Punktmating regnes derfor som teknikkens stilling.

Aluminiumsproduksjon gir også avgasser, hovedsakelig C02med spor av CO, men også vesentlige mengder HF og S02. I moderne smelteverk fjernes mesteparten av HF og S02før avgassene slippes ut i atmosfæren, men ikke C02. For å fjerne alle avgassene som frigjøres fra cellen og gi cellen hensiktsmessig kjøling, innebærer den vanlige utformingen for avsugingen flere avsugingspunkter langs hovedgasskanalene som befinner seg omtrent en meter fra den øvre skorpen. Disse avsugingspunktene suger inn mye falsk luft fra åpninger og skjøter i cellens overbygning der det innenfor de øvre dekslene opprettholdes et negativt trykk for å sikre at man fanger opp alle avgassene som frigjøres fra cellen. Gassen som samles opp har en temperatur som er behagelig kald for overbygningen (100-150 °C), og avgassene fortynnes kraftig av den falske luften.

Inntil nylig har det ikke vært fokusert så mye på C02-vasking siden gassen er del av en naturlig syklus, men våre dagers søkelys på virkningene av C02 på klimaet har endret dette. Konstruksjonsbegrensningen for moderne elektrolyseceller når det gjelder å oppfange og skille ut C02 er den lave konsentrasjonen av C02i prosessgassen, typisk under 1 %. Det er både vanskelig og dyrt å fjerne lave konsentrasjoner av C02log derfor er det ikke funnet noe publisert om dette i den offentlige litteraturen. Kostnaden ved utskilling av C02synker generelt med økende C02-konsentrasjon i avgassene.

Den foreliggende oppfinnelsen innebærer generelt sett en aluminamater med integrert gassoppsamling. Oppfinnelsen dreier seg om en fremgangsmåte for å samle opp konsentrert prosessgass for videre behandling. I tillegg gjør denne innretningen det mulig å samle opp prosessgass med temperatur som er hevet tilstrekkelig til at det kan utvinnes varme av den.

I WO 2006/009459 beskrives det en fremgangsmåte og utstyr for varmeutvinning fra avgasser fra et prosessanlegg, for eksempel prosessgass fra et elektrolyseanlegg for aluminiumsproduksjon. Denne typen teknologi kan med fordel kombineres med den foreliggende oppfinnelsen.

Forskjellige industriprosesser produserer gasser som kan forurenses av partikler, støv og andre stoffer som kan føre til tilgroing i energiutvinningsutstyret. Slik tilgroing vil innebære redusert effektivitet og kan kreve utstrakt vedlikehold, for eksempel rensing av flatene som er utsatt for gasstrømmen. Før den renses kan prosessgassen inneholde støv og/eller partikler som vil danne avleiringer i varmeutvinningsutstyret og dermed redusere effektiviteten ved varmeutvinningen til et uønsket lavt nivå. Derfor blir energiutvinningsenheter normalt plassert nedstrøms for et gassrenseanlegg, etter gassrensingen.

Med hensyn til å optimalisere energiutvinningen er det av interesse å plassere utvinnings-enhetene så nær industriprosessen som mulig, der energiinnholdet i prosessgassen er på sitt høyeste. Dette innebærer at energiutvinningsenhetene må plasseres oppstrøms for gassrenseanlegget, fordi slike anlegg lokaliseres forholdsvis langt fra industriprosessen. For eksempel inneholder prosessgass fra en aluminiumselektrolysereduksjonscelle store mengde energi ved forholdsvis lav temperatur. Denne energien utnyttes i dag bare i liten grad, men den kan brukes til oppvarming, prosessformål og kraftproduksjon hvis det etableres teknisk og økonomisk akseptable løsninger for varmeutvinning. Hvilken temperatur man oppnår i det oppvarmede fluidet er avgjørende for verdien og nytten av varmeenergien som utvinnes. Varmen bør derfor trekkes ut fra prosessgassen ved høyest mulig gasstemperatur.

Å avkjøle prosessgassen vil bidra til lavere trykkfall og hastighet for gasstrømmen, med lavere vifteeffekt som resultat. Den største reduksjonen i trykkfall oppnås ved å avkjøle prosessgassen så nær aluminiumscellene som mulig.

Energiinnholdet i prosessgassen kan utvinnes i en varmeveksler (varmeutvinningssystemer) der prosessgassen avgir varme (avkjøles) til et annet fluid som egner seg for det aktuelle formålet. I prinsippet kan varmeutvinningssystemet befinne seg: - oppstrøms for renseprosessen - slik at varmeutvinningssystemet må kjøres med en gass som inneholder partikler, - nedstrøms for renseprosessen - slik at forurensede komponenter og partikler i gassen er fjernet,

- i elektrolysecellen selv.

Siden renseprosessene som er tilgjengelige i dag fungerer mest optimalt ved lav temperatur, er energiutvinning i praksis relevant bare for alternativet med varmeutvinningssystemet oppstrøms for renseprosessen. Dette betyr i praksis at varmeutvinningssystemet må kunne fungere med varm, partikkelholdig gass.

Å avkjøle rågassen oppstrøms for viftene kombinert med varmeutvinning er en løsning som vil redusere både volumgjennomstrømmingen til prosessgassen og trykkfallet i kanalsystemet og gassrenseanlegget. Sugeeffekten kan dermed økes uten behov for å endre dimensjonene til kanalene eller gassrenseanlegget.

Varmen som utvinnes fra prosessgassen er tilgjengelig som prosessvarme for diverse oppvarmings- og bearbeidingsformål, for eksempel C02-utskilling.

Prinsippene med en punktmater eller en sugeinnretning for gassoppsamling er heller ikke nye, men det er ikke funnet offentliggjort noe som beskriver kombinasjonen av de nevnte innretningene som gir mye mer effektiv oppsamling av avgassene som produseres i cellen uten at det kommer alumina inn i sugeinnretningen.

US Patent 4, 770, 752 fra 1988 beskriver et system der gassoppsamlingskappen er brakt i kontakt med skorpen og samsvarer med et hull i skorpen. Formålet med denne oppfinnelsen er å samle opp avgassene fra cellen for å rense fluoridkomponenter med alumina og deretter returnere aluminaen og fluoridene til cellen igjen med en separat aluminamater. C02-vasking og varmeutvinning er ikke nevnt med unntak for en forhåndsvarming av aluminaen. Denne oppfinnelsen har en begrensning med hensyn til vedlikehold og mulige skader som oppstår under bytting av anodene, siden kappen befinner seg så nær anodene og skorpen. Det finnes ikke noen indikasjon på anlegg som utnyttet denne oppfinnelsen, noe som underbygger de nevnte ulempene.

JP Patent 57174483 fra 1981 beskriver en fremgangsmåte og innretning for kontinuerlig måling av strømeffektiviteten til en aluminiumselektrolysecelle. Formålet er å måle strømeffektiviteten raskt og kontinuerlig og kontrollere tilførselen av råstoffer ved å samle opp gassene som produseres fra cellen kontinuerlig, måle konsentrasjonene av C02 og CO suksessivt, omdanne disse til elektriske signaler og mate inn signalene til en regulator. Oppsamlingsenheten er ikke fullt beskrevet, men ser ut til å være i kontakt med skorpen med de samme ulempene som ovenfor.

US Patent 5, 968, 334 beskriver fjerning av minst én av gassene CF4og C2F6fra avgassene fra en elektrolysecelle ved hjelp av en membran.

US 3,729,399 A omhandler en aluminiumelektrolysecelle med forbakte anoder, hvor cellen er utstyrt med en sentralt plassert gassoppsamlingshette og som har en åpning beliggende ned i cellens kruste. Gassoppsamlingshetten forløper i cellens lengderetning. I forbindelse med gassoppsamlingshetten er det integrert flere skorpebrekkere samt et system for mating av alumina til cellen. Med denne løsningen kan det oppnås en oppsamling av konsentrert gass fra hull i skorpen tildannet av skorpebrekkerne. Gassen kan renses ved hjelp av en gassvasker.

US 3,714,002 A omhandler elektrolyseceller av Søderbergtype hvor en anodekonstruksjon er tildannet en oksidmater med en krustebrekker. Krustebrekkeren har et spett som er innrettet for å gå ned i krusten slik at det kan tilveiebringes et matehull. En hylse er beliggende koaksialt utenfor spettet, og strekker seg fra den nedre del av brekkerens sylinder og inn i anodekonstruksjonens øvre del slik at det tildannes en oppsamlingskanal for fjernelse av anodegass. Den konsentrerte fluoridgassen som samles opp ledes videre til et gassrenseanlegg.

SU1025756 A beskriver en elektrolysecelle omfattende en gassoppsamler integrert sammen med en punktmater.

US 3,977,950 A viser en prosess og utstyr for å samle opp og rense gasser fra aluminiumelektrolyseceller. Utstyret omfatter en gassamlehette med integrert krustebryter. Oppsamlingsutstyret omfatter videre midler for tilførsel av friskluft slik at CO kan forbrennes til C02.

Den foreliggende oppfinnelsen dreier seg om prinsippet om distribuert avsuging (Distributed Pot Suction, DPS), der man kan kombinere tilførsel av råstoffet alumina til cellen med samtidig utvinning av mer C02-konsentrerte avgasser fra et hull i den øvre skorpen i cellen enn det som er standard fremgangsmåte i aluminiumsindustrien i dag. De tre totalvirkningene man får med hensyn til avgassene er: 1. Det tas ut et mindre totalvolum av gass fra cellen, med mulighet for å redusere den totale størrelsen på avgassbehandlinganleggene/avgassbehandlingssentrene (FTP/FTC) eller gassbehandlingsanleggene (GTC). 2. Som følge av punkt 1 vil den oppsamlede prosessgassen få høyere temperatur enn før og er derfor mer egnet for varmeutvinning. 3. Hvis det suges inn mindre «falsk luft» til gassoppsamlingskamrene, øker konsentrasjonen av C02i avgassene vesentlig, slik at det blir mulig å oppfange og skille ut C02med standard teknologi som brukes til å fange opp C02fra kraftanlegg.

Disse og andre fordeler kan oppnås med oppfinnelsen som defineres ved de vedlagte patentkravene.

I det følgende blir oppfinnelsen forklart mer inngående med eksempler og figurer, der:

Fig. 1 viser en distribuert avsugingsinnretning i henhold til oppfinnelsen,

Fig. 2 viser en fluiddynamisk modell av avgassoppsamlingen fra en avsugingsinnretning som innbefatter en kappe med enkeltveggutforming, Fig. 3 viser en fluiddynamisk modell av avgassoppsamlingen fra en avsugingsinnretning

som innbefatter en kappe med dobbeltveggutforming,

Fig. 4 viser et bilde av den dobbeltveggede oppsamlingskappen sett nedenfra.

Fig. 5 viser et diagram som viser C02-konsentrasjonen i en celle med tradisjonell

avgassoppsamling i cellens overbygning.

Fig. 6 viser et diagram som viser C02-konsentrasjonen under varierende forhold fra

«normal» til venstre, til «ren DPS-oppsamling» til høyre.

Maksimal gassoppsamling fra den distribuerte avsugingsinnretningen (DPS), kan oppnås ved å utforme oppsamlingskappen til aluminamateren på forskjellig vis. En av prototypene som ble utformet under utviklingen av oppfinnelsen hadde en énvegget oppsamlingskappe (se resultatene for oppsamlingseffektiviteten fra CD-modelleringen på figur 2). En annen versjon av avsugingskappen hadde dobbelte vegger (se figur 3) der innsugingshastigheten mellom de dobbelte veggene er vesentlig høyere enn i midten. Denne ekstra innsugingseffekten skaper en kunstig «luftvegg» som gir mer effektiv avgassoppsamling fra hullet i skorpen og reduserer forstyrrelsene fra tverrstrømmer. Man kan også utstyre DPS med trykkluft og blåse luft gjennom dette leddet, men da brukes mer av trykkluften i elektrolysehallen opp til dette.

Detaljert beskrivelse av de foretrukne realiseringene

Det følgende er en funksjonsbeskrivelse av DPS (distribuert avsuging):

På figur 1 er skorpebryteren markert med referansenummer 1, og den er festet til hovedbestanddelene av DPS, d.v.s. 2 til 4 inklusive. Under drift føres den normale gasstrømmen til ovnen overbygning gjennom DPS, og det settes opp et DPS-punkt på hvert av matepunktene til ovnen. Sugevirkningen for den DPS-en som føres inn gjennom den kanalen som er reservert for dette formålet og koblet til i punkt 2, kan fortrinnsvis kobles til en eksisterende mater, eller alternativt være en del av en ny konstruksjon som erstatter en eksisterende mater. Aluminaen kan mates fra en fluidisert mater, men også fra mekaniske matere.

Når gassen trekkes gjennom punkt 2, blir den samlet opp i en hovedkanal/manifold på cellens overbygning som viderebefordrer gass fra alle matepunktene. Fra disse overgangspunktene transporteres gassen til avgassbehandlingssystemene (d.v.s. fluoridgjenvinning og S02-rensing) og føres derfra inn til eventuelle kommersielle C02-vaskesystemer som kan håndtere de faktiske C02-konsentrasjonene eller til forbrenningssystemer som gassturbiner, kullkraftverk eller biomasseforbrenningsanlegg.

Når det skal gjøres service på cellen, blir hovedoppsamlingskanalen for DPS-punktene lukket, og hovedkanalene i cellens overbygning aktiveres for å gå over til vedlikeholdssuging (PTS) fra cellen (d.v.s. at cellens innsugingsvolum økes til 2-4 ganger det normale).

Den oppkonsentrerte prosessgassen er varmere enn normalt, noe som gjør den egnet for varmeutvinning. På den annen side kan den varmere gassen skade overbygningen og elektronikken der. En måte å løse denne nye utfordringen på er å varmeisolere bestanddelene av gassoppsamlingssystemene i overbygningen og videre til stedet der varmeutvinningen kan foregå utenfor cellen. Prosessgasser fra flere celler kan kobles til den samme varmeutvinningsenheten. Prosessgassen blir så sendt til klassisk avgassbehandling for å fjerne støv, HF og S02. Avhengig av om man kobler avgassene til en annen prosess i form av forbrenningsluft eller direkte til en C02-vaskeenhet, kan det bli nødvendig å gi avgassene en rensing som er tilstrekkelig til at den ikke skader disse prosesstrinnene.

Hovedtrekkene til den foreliggende oppfinnelsen er å integrere punktmateren for alumina med skorpebryteren og punktavsugingssystemet. Det fremskrittet som skyldes DPS-en er en annen sammensetning av og høyere temperatur i den oppsamlede prosessgassen. Gassen som samles opp av DPS-en vil inneholde mye mindre «falsk luft», og derfor ha høyere konsentrasjon av farlige gasser (fluorid, SOxog C02). Dette vil forenkle fluoridutvinningen og SOx-rensingen. Målet er å øke C02-konsentrasjonen så mye at det kan brukes kommersiell C02-vasketeknikk til å fjerne den. På grunn av det lavere luftinnholdet og installasjonen like over matepunktene, har de oppsamlede avgassene dessuten høyere temperatur enn den vanlige prosessgassen, noe som øker potensialet for varmeveksling.

Det bør være klart for enhver fagperson at oppsamlingskappen for prosessgassen kan tilpasses til en hvilken som helst type punktmater.

Sugeeffekten fra rommet mellom veggene og fra innsiden kan reguleres uavhengig av hverandre. Se også Fig. 4.

Innerveggen til innsugingskappen (punkt 4) kan være enten hel eller perforert, d.v.s. enten med eller uten hull. Dessuten kan vinkelen til avsugingskappen (punkt 4) være slik at hastighetsvektoren for sugeeffekten kan rettes i en hvilken som helst vinkel mellom 0 og 180 grader nedover mot skorpen.

Utskilling og lagring av C02i henhold til den foreliggende oppfinnelsen kan i én realisering gjøres i følgende trinn:

1) C02-produksjon i cellen

2) Samle opp avgasser med høyt C02-innhold

3) Varmeutvinning fra den nevnte gassen

4) Forvasking

5) Gass til andre prosesser og/eller føre gass til C02-vasker

6) Renset gass føres ut av vaskeren, C02 føres til en komprimeringsstasjon

7) Flytende C02transporteres til lagring.

Claims (19)

1. Innretning for oppsamling av varm gass fra en elektrolyseprosess hvor gassoppsamlingsinnretningen med en oppsamlingskappe er integrert i en punktmater med skorpebryter, karakterisert vedat oppsamlingskappen har doble vegger og omfatter innløp for gassen som skal samles opp mellom de doble veggene i kappen samt fra innsiden av kappen.

2. Innretning i henhold til krav 1, karakterisert vedat innretningen befinner seg ovenfor matehullet for alumina som lages av skorpebryteren til punktmateren.

3. Innretning i henhold til krav 1, karakterisert vedat aluminatilførselen skjer inne i og/eller nær oppsamlingskappen for avgassene.

4. Innretning i henhold til krav 1, karakterisert vedat hastigheten mellom de to veggene er høyere enn midt i åpningen.

5. Innretning i henhold til krav 1 karakterisert vedat gasstrømmen mellom den dobbeltveggede kappen enten kan blåse ut gass eller suge inn avgassene som frigjøres fra elektrolyseprosessen eller luft fra omgivelsene.

6. Innretning i henhold til krav 1 karakterisert vedat alle prosessgassene kan samles opp gjennom innretningen med hensiktsmessig sugeeffektivitet uten noen annen gassoppsamling i cellens overbygning under normal drift.

7. Innretning i henhold til krav 1 karakterisert vedat innsugingen i kappen kan gå som normalt under aluminatilførsel.

8. Innretning i henhold til krav 1 karakterisert vedat innsugingen i kappen kan blokkeres under aluminatilførsel.

9. Innretning i henhold til krav 1, karakterisert vedat avgassene som samles opp kan brukes til varmegjenvinning.

10. Innretning i henhold til krav 1 karakterisert vedat avgassene som samles opp kan renses for å separere ut gasser som HF, S02, C02, damp og støv.

11. Innretning i henhold til krav 1 karakterisert vedat formen til oppsamlingskappen er enten sirkulær, elliptisk, kvadratisk eller rektangulær.

12. Innretning i henhold til krav 1 karakterisert vedat formen til oppsamlingskappen er optimalisert for det nødvendige innsugingsvolumet, for eksempel konisk.

13. Innretning i henhold til krav 1 karakterisert vedat den kan kombineres med et separat gassoppsamlingssystem som brukes under standardoperasjoner som anodebytting og metalltapping.

14. Innretning i henhold til krav 1 karakterisert vedat: elektrolyseprosessen brukes til å produsere aluminium eller andre metaller.

15. Innretning i henhold til krav 1 karakterisert vedat innretningen er koblet til varmeisolerte oppsamlingssystem/rør for avgasser inne i cellens overbygning.

16. Fremgangsmåte for å samle opp varm gass fra en elektrolyseprosess ved bruk av en innretning som angitt i kravene 1-15, karakterisert vedat gassen samles opp i umiddelbar nærhet av et matehull i skorpen og ved at sammensetningen av prosessgassen omfatter minst 0,5-10 % C02.

17. Fremgangsmåte i henhold til krav 16, karakterisert vedat avgassene har temperatur på over 150 °C.

18. Fremgangsmåte i henhold til krav 16, karakterisert vedat det trekkes ut varme fra avgassene med passende varmevekslingsorganer.

19. Fremgangsmåte i henhold til krav 16, karakterisert vedat avgassene separeres nedstrøms til en C02-anriket bestanddel.