Способ и устройство для улучшения улавливания soв газах электролизных ванн - RU2590566C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу и устройству для улавливания SO₂, присутствующего в газах, выделяющихся из ванн для промышленного производства алюминия огневым электролизом. Этот способ осуществляют при помощи группы, по меньшей мере, из двух реакторов, через которые параллельно проходит газовый поток и в которые, по меньшей мере, частично последовательно поступает сорбент типа порошка, в частности, в виде частиц глинозема, выполненный с возможностью адсорбции отходов, присутствующих в газовом потоке, за счет контакта сорбента с газовым потоком.

Использование частиц глинозема в реакторах обработки газа для адсорбции фтористоводородной кислоты (HF), присутствующей в газах, выходящих из ванн для промышленного производства алюминия методом огневого электролиза, является хорошо известной и эффективной технологией. Известно также, что этот глинозем с его большой площадью адсорбции (до 82 м²/г) может в некоторых условиях адсорбировать диоксид серы (SO₂), тоже присутствующий в электролизных газах.

Хотя глинозем очень легко адсорбирует SO₂, улавливание SO₂, присутствующего в газах, выделяемых электролизными ваннами, не является легким процессом, так как глинозем адсорбирует в большей степени HF по сравнению с SO₂. В случае, когда в обрабатываемых газах присутствуют HF и SO₂, для улавливания SO₂ необходимо использовать достаточное количество глинозема, чтобы он не стал насыщенным после адсорбции HF. Действительно, если бы глинозем стал насыщенным SO₂ в результате обработки газа, не содержащего HF, то в случае контакта этого глинозема с газом, содержащим HF, произошла бы десорбция этого SO₂, и HF заняла бы место SO₂ на частицах глинозема.

Кроме того, известно, что десорбция SO₂ из глинозема происходит, начиная от температуры около 200°C, тогда как десорбция HF начинается примерно от 400°C.

На практике количество глинозема, загружаемое в реакторы обработки газа, обычно превышает на 10% количество, необходимое для адсорбции HF. Это количество глинозема, остающееся после обработки газов, соответствует количеству, необходимому для электролизных ванн, в которых оно расходуется, поэтому нет необходимости в загрузке свежего глинозема в ванны. Для того чтобы после улавливания FLF глинозем адсорбировал также SO₂, в реакторы следовало бы загружать намного большее количество глинозема, по существу вдвое превышающее количество, необходимое для адсорбции HF. В результате на выходе реакторов получали бы дополнительное количество глинозема, которое не могло бы расходоваться в электролизных ваннах.

В патенте ЕР 0793527 предложено использовать две ступени обработки в одном и том же комплексе реактор-фильтр, чтобы последовательно улавливать HF, а затем SO₂. Обрабатываемые газы, содержащие HF и SO₂, проходят через первую ступень, представляющую собой реактор, где они встречают на своем пути регенерированный глинозем. На выходе этого реактора HF оказывается полностью адсорбированной глиноземом. После этого газы поступают в устройство механического отделения фторированного глинозема от газов. На выходе этой первой ступени газы оказываются очищенными от HF. Затем они поступают во вторую ступень, представляющую собой фильтр, где загружают свежий глинозем для улавливания SO₂. Наконец, глинозем, содержащий SO₂, направляют в десорбер, в котором из глинозема выделяют SO₂. Регенерированный таким образом глинозем опять направляют в первую ступень обработки, а концентрированный SO₂ направляют в систему переработки. Это решение не является вполне удовлетворительным, поскольку требует громоздкого и дорогого устройства для отделения фторированного глинозема в первой ступени обработки.

Для устранения этого недостатка изобретением предложен способ улавливания SO₂, присутствующего в газах, выходящих из ванн для промышленного производства алюминия методом огневого электролиза, при помощи группы, по меньшей мере, из двух реакторов, через которые параллельно проходит газовый поток и в которые, по меньшей мере, частично последовательно поступает сорбент типа порошка, в частности в виде частиц глинозема, выполненный с возможностью адсорбции отходов, присутствующих в газовом потоке, за счет контакта сорбента с газовым потоком, при этом указанные, по меньшей мере, два реактора содержат, каждый, средства сбора указанного сорбента после вхождения в контакт с указанным газовым потоком, при этом, по меньшей мере, один из указанных реакторов содержит средства удаления указанного сорбента после вхождения в контакт с указанным газовым потоком в средства нагнетания, по меньшей мере, в другой из указанных реакторов, отличающийся тем, что между средствами удаления и средствами нагнетания происходит десорбция SO₂ из указанного сорбента, который он адсорбировал при вхождении в контакт с указанным газовым потоком до его попадания в указанные средства удаления.

Для десорбции SO₂ указанный сорбент доводят, например, до температуры, близкой к 200°C и в любом случае намного меньшей 400°C, чтобы не допускать десорбции HF. С этой же целью сорбент можно также вводить в контакт с газом-носителем. Этот газ-носитель позволяет также облегчить удаление SO₂ из системы. Нагрев сорбента и его продувка газом-носителем представляют собой два средства для десорбции сорбента, которые предпочтительно применяют в комбинации для повышения эффективности.

Согласно предпочтительному примеру осуществления изобретения, сорбент является глиноземом Αl₂Ο₃.

Газ-носитель является, например, азотом.

Согласно варианту осуществления изобретения газ-носитель нагревают до температуры не менее 200°C, но остающейся близкой к 200°C, до вхождения в контакт с сорбентом.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, реакторы представляют собой, по меньшей мере, одну последовательность, по меньшей мере, из двух реакторов, в которые, по меньшей мере, частично последовательно загружают сорбент, и осуществляют десорбцию сорбента после каждого реактора, возможно, за исключением последнего реактора из указанной последовательности, или после обоих реакторов, или после переменного числа реакторов указанной последовательности, или начиная от реактора указанной последовательности, в котором сорбент достиг уровня общего насыщения, близкого к 100%.

Объектом изобретения является также устройство улавливания SO₂, присутствующего в газах, выходящих из ванн для промышленного производства алюминия методом огневого электролиза, при помощи группы, по меньшей мере, из двух реакторов, через которые параллельно проходит газовый поток и в которые загружают сорбент типа порошка, выполненный с возможностью адсорбции отходов, присутствующих в газовом потоке, за счет контакта сорбента с газовым потоком, при этом указанные, по меньшей мере, два реактора содержат, каждый, средства сбора указанного сорбента после вхождения в контакт с указанным газовым потоком, при этом, по меньшей мере, один из указанных реакторов содержит средства удаления указанного сорбента после вхождения в контакт с указанным газовым потоком в средства нагнетания, по меньшей мере, в другой из указанных реакторов, отличающееся тем, что между средствами удаления и средствами нагнетания содержит средства десорбции для выделения SO₂ из указанного сорбента, который он адсорбировал при вхождении в контакт с указанным газовым потоком до его поступления в указанные средства удаления.

Средства десорбции содержат, например, по меньшей мере, одно средство нагрева, позволяющее доводить указанный сорбент до температуры, близкой к 200°C.

Средства десорбции могут также содержать средства, позволяющие вводить указанный сорбент в контакт с потоком газа-носителя.

Предпочтительно средства десорбции сочетают в себе, по меньшей мере, одно средство нагрева, позволяющее доводить указанный сорбент до температуры, близкой к 200°C, и средства, позволяющие вводить указанный сорбент в контакт с потоком газа-носителя.

Согласно примеру осуществления изобретения указанное, по меньшей мере, одно средство нагрева позволяет нагревать указанный газ-носитель до температуры не менее 200°C, но остающейся близкой к 200°, до нагнетания указанного газа-носителя в десорбер, где газ-носитель входит в контакт с сорбентом.

Согласно другому варианту осуществления указанное, по меньшей мере, одно средство нагрева встроено в десорбер, в который поступают сорбент и поток газа-носителя, вступающий в контакт с указанным сорбентом в указанном десорбере.

Предпочтительно изобретение применяют на реакторах, расположенных последовательно или в виде каскада(ов), если рассматривать циркуляцию сорбента, описанных в патентном документе WO 2007096492, при этом сорбент, по меньшей мере, частично последовательно загружают в реакторы. Таким образом, в первом варианте осуществления в первый реактор последовательности или каскада реакторов поступает все количество свежего сорбента, необходимое для адсорбции всей HF, содержащейся в газах на входе реактора. Сорбент, слабо насыщенный и собираемый средствами сбора указанного первого реактора, направляется средствами удаления этого первого реактора во второй реактор последовательности или каскада и так далее. Таким образом, сорбент насыщается по мере своего прохождения через последовательность реакторов. На выходе каждого реактора, на входе которого сорбент еще не насыщен, указанный сорбент адсорбирует HF, а также SO₂.

Устройство в соответствии с изобретением для осуществления описанного выше способа отличается тем, что реакторы расположены в виде, по меньшей мере, одной последовательности, по меньшей мере, из двух реакторов, в которые, по меньшей мере, частично последовательно загружают сорбент, и средства десорбции для очистки сорбента от S0₂ расположены после каждого реактора, возможно, за исключением последнего реактора из указанной последовательности, или после обоих реакторов, или после переменного числа реакторов указанной последовательности, или начиная от реактора указанной последовательности, в которой сорбент достиг уровня общего насыщения, близкого к 100%.

Согласно изобретению прохождение сорбента (предпочтительно глинозема) в десорбере, где сорбент нагревают до температуры, близкой к 200°C, и/или вводят в контакт с потоком газа-носителя, который нагревают до температуры не менее 200°C, но остающейся близкой к 200°, если сорбент не нагревали, позволяет очищать сорбент от содержащегося в нем SO₂. Предпочтительно температура, до которой нагревают сорбент в десорбере SO₂, не позволяет выделять HF. Регенерированный таким образом сорбент направляют в следующий реактор последовательности или каскада и так далее.

На выходе десорбера SO₂ или газ-носитель, содержащий SO₂, направляют в систему переработки.

Рассмотрим случай 10 реакторов в последовательности, то есть, когда каждый из них, кроме первого реактора последовательности, получает сорбент только из средств удаления реактора, предшествующего ему в последовательности, и рассмотрим потребность в количестве «X» сорбента для адсорбции всей HF, содержащейся в газах, поступающих из электролизных ванн и проходящих параллельно через 10 реакторов. Это количество «X» сорбента загружают только в первый реактор последовательности. На выходе средств удаления из первого реактора сорбент улавливает HF и почти все количество SO₂, содержащееся в части газового потока, прошедшей через первый реактор. Сорбент насыщается при этом примерно на 8-9% HF и примерно на 4-10% SO₂, что соответствует общему насыщению примерно на 12-19%. После этого сорбент направляют в десорбер SO₂ для очистки сорбента почти от всего количества SO₂, что дает степень общего насыщения примерно 9%. На выходе десорбера сорбент направляют во второй реактор последовательности. Таким образом, согласно изобретению на выходе средств удаления каждого реактора сорбент проходит обработку регенерации, позволяющую уменьшить степень общего насыщения за счет удаления SO₂, который был адсорбирован этим сорбентом при контакте с частью газового потока, проходящей через указанный реактор. Поступив на вход последнего реактора последовательности, сорбент, имеющий степень общего насыщения около 90%, сможет адсорбировать только HF. Такое применение изобретения обеспечивает степень удаления SO₂, как правило, составляющую примерно от 60% до 90%.

Десорбер не обязательно устанавливают на выходе средств удаления каждого реактора последовательности. Места установки десорберов определяют путем вычисления таким образом, чтобы найти оптимальную конфигурацию, учитывающую эффективность обработки и стоимость установки. В зависимости от случаев, десорбер SO₂ устанавливают после каждого реактора, возможно, за исключением последнего реактора последовательности или ряда реакторов, или после обоих реакторов или после определенного числа реактора последовательности или ряда реакторов, причем это число меняется от одной последовательности или ряда реакторов к другой последовательности или ряду. Согласно варианту осуществления десорбер SO₂ устанавливают только начиная от реактора последовательности или ряда реакторов, в котором сорбент достиг уровня общего насыщения, близкого к 100%. В зависимости от числа реакторов в последовательности или в ряду и от значений концентрации SO₂ и HF в газах можно определить точное место расположения первого десорбера, а также следующих десорберов.

Другие преимущества и отличительные признаки изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания иллюстративных примеров осуществления, ни в коем случае не ограничивающих объем изобретения, со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 схематично показан центр обработки газов согласно варианту осуществления изобретения;

на фиг. 2 - то же, что на фиг. 1, вариант осуществления изобретения, в котором газ-носитель нагревают до его поступления в десорберы центра обработки и до его вхождения в контакт с сорбентом, содержащимся в этих десорберах;

на фиг. 3 - то же, что на фиг. 1 и 2, вариант осуществления изобретения, в котором сорбент нагревают в десорберах, в которые направляют газ-носитель, входящий в контакт с сорбентом, нагретым для десорбера SO₂.

Как показано на фиг. 1-3, изобретение предназначено для применения в центре 1 обработки газов, состоящем из множества реакторов 2₁, 2₂,…,2_n, в которых параллельно циркулирует газовый поток 3, предпочтительно восходящий поток, который необходимо очистить от отходов. В первый реактор 21 загружают известный свежий сорбент типа порошка, например глинозем (Al₂О₃), выходящий из средства 4 хранения свежего порошка типа бункера и направляемый в первый реактор 2₁ при помощи средства 14 распределения, предусмотренного между средством 4 хранения и реактором 2₁.

В частности, средство 14 распределения соединяет средство 4 хранения с известным средством 7 нагнетания сыпучего вещества в реактор 2₁. Средством 14 распределения является, например, пневмотранспортный желоб, при этом транспортировку сорбента типа порошка осуществляют при помощи любого известного средства, например согласно способу транспортировки сыпучих веществ в сверхплотном слое.

Средство 4 хранения, такое как бункер, высыпает сорбент в единственное средство 14 распределения, направляющее все свое содержимое в первый реактор 2₁ через средство 7 нагнетания. В этом примере изобретения в n-1 других реакторов 2₂,…,2_n свежий сорбент из средства 4 хранения не поступает.

Для упрощения на фиг. 1 показаны только три реактора 2₁, 2₂,…,2_n, но при этом следует отметить, что изобретение можно применять для любого центра обработки газов, содержащего, по меньшей мере, два реактора. Реакторы 2₁, 2₂,…,2_n предназначены для обеспечения вхождения в контакт, при помощи любого известного средства, порошка с газовым потоком, который необходимо очистить от отходов.

В частности, изобретение применяют для газовых потоков 3, выходящих из ванн для электролизного производства алюминия и содержащих загрязняющие отходы типа фторсодержащих веществ, например фтористоводородную кислоту (SO₂), и диоксид серы (SO₂), которые подвергаются нейтрализации порошком, в данном примере глиноземом Αl₂Ο₃, посредством адсорбции.

Предпочтительно реакторы 2₁ 2₂,…,2_n являются идентичными, то есть имеют одинаковую мощность обработки газовых потоков. Таким образом, в каждый из реакторов 2₁, 2₂,…,2_n поступает одинаковое количество порошка, при этом подразумевается, что в каждый реактор 2₁, 2₂,…,2_n поступает одинаковая часть одного и того же газового потока 3. Тем не менее, специалист может адаптировать принцип изобретения для любого типа группы реакторов, как идентичных, так и разных.

Каждый из реакторов 2₂,…,2_n, отличных от первого реактора 2₁, оборудован средством 16 нагнетания, по существу идентичным средству 7 нагнетания первого реактора 2₁. Предпочтительно средство 7 или 16 нагнетания установлено по существу на входе патрубка 8 соответствующего реактора 2₁, или 2₂,…, или 2_n, в который поступает соответствующая часть газового потока 3.

После нагнетания порошка в реактор 2₁, или 2₂,…, или 2_n этот порошок входит в контакт с соответствующей частью газового потока 3 при помощи любого известного средства, обеспечивающего оптимальный контакт газового потока 3 с порошком, что приводит к оптимальной очистке от загрязняющих отходов, присутствующих в газовом потоке. Во время вхождения в контакт порошка с частями газового потока 5, предпочтительно восходящими частями потока, порошок увлекается в газовом потоке 3 предпочтительно восходящим движением.

На выходе каждого реактора 2₁, 2₂,…,2_n, то есть в их верхней части находятся средства 9 фильтрации, например, типа матерчатого фильтра или рукавного фильтра, препятствующие выбросу за пределы реактора 2₁, или 2₂,…, или 2_n и в атмосферу частиц порошка и пыли.

После вхождения в контакт сорбента (порошка) с газовым потоком 3 и фильтрации потока 3 при помощи средств 9 фильтрации, в бункерах внизу реакторов 2₁, 2₂,…,2_n предусмотрены средства 10 сбора любого известного типа для сбора частиц порошка, и эти средства 10 сбора соединены при помощи известных средств со средствами 11 удаления сорбента, содержащего отходы, адсорбированные в реакторе 2₁, 2₂,…,2_n.

Средства 11 удаления сами по себе известны и представляют собой, например, одно или несколько отверстий, соединенных с отводным каналом 12, например, типа пневмотранспортного желоба, при этом, по меньшей мере, один отводной канал 12 и предпочтительно каждый из них выходит в десорбер SO₂ 17, за исключением последнего реактора 2_n, из которого канал 12 выходит в главный канал 13, предназначенный для содержащего отходы сорбента, в частности фторированного сорбента.

Таким образом, поскольку свежий сорбент, такой как свежий глинозем, загружают в первый реактор 2₁, в котором циркулирует газовый поток 3, подлежащий очистке от фтора и серы, то, следовательно, в соответствующем отводном канале 12 получают фторированный и сульфированный глинозем.

Десорберы SO₂ 17 выполнены с возможностью обеспечения вхождения в контакт, при помощи любого известного средства, порошка, поступающего из отводных каналов 12, с потоком газа-носителя. Предпочтительно порошок в десорберах 17 поддерживается в псевдоожиженном слое.

В примере осуществления, показанном на фиг. 2, газ-носитель, поступающий из источника (не показан) в каждый из десорберов 17 через трубопроводы 20, является азотом. В варианте, показанном на фиг. 2, этот газ-носитель предварительно нагревают до температуры, превышающей 200°C, но остающейся близкой к 200°C, в централизованном устройстве 21 нагрева до его нагнетания в каждый из десорберов 17 на выходном конце соответствующего трубопровода 20, причем эта температура предпочтительно находится в диапазоне от 200°C до 250°C.

Согласно другому варианту осуществления, показанному на фиг. 3, газ-носитель, поступающий из источника 22, соединенного с каждым десорбером 17 через трубопровод 20, не нагревают перед нагнетанием в десорберы 17. Каждый из этих десорберов оснащен специальными средствами 21 нагрева, встроенными в соответствующий десорбер 17 и позволяющими нагревать предназначенный для десорбции порошок примерно до температуры 200°C или до температуры, близкой к 200°C. Например, эта температура находится в диапазоне от 180°C до 250°C.

Средства 21 нагрева, показанные на фиг. 3, или устройство 21 нагрева, показанное на фиг. 2, могут быть любыми известными средствами, например электрическими (с нагревательным сопротивлением).

На выходе каждого десорбера 17 газ-носитель, содержащий SO₂, направляют, например, по каналу 18 в устройство обработки, не показанное на фиг. 1-3, обеспечивающее отделение SO₂ от газа-носителя 20.

На выходе десорбера 17 первого реактора 21 весь сорбент, содержащий HF и очищенный от SO₂, переходит в средство 16 нагнетания второго реактора 2₂ через отводной канал 19, соединенный с пневмотранспортным желобом 15 рециркуляции сорбента, предпочтительно тоже в виде псевдоожиженного слоя, или с любым известным средством, обеспечивающим транспортировку сыпучих веществ или сорбентов. Это же касается и второго 2₂ и третьего реактора и так далее до последнего реактора 2_n, в средства 16 нагнетания которого через соответствующие отводной канал 19 и рециркуляционный пневмотранспортный желоб 15 поступает весь сорбент, содержащий HF и очищенный от SO₂ в десорбере 17 на выходе предпоследнего реактора 2_n-1, который был профильтрован и собран в предпоследнем реакторе 2_n-1 (на фиг. 1-3 не показан), таким образом, все n реакторов этой последовательности расположены последовательно с точки зрения циркуляции сорбента между средством 14 распределения, питающим первый реактор 2₁, и главным каналом 13 на выходе последнего реактора 2_n.

Таким образом, в случае очистки от HF и SO₂, содержащихся в остаточных газах, выходящих из ванн для электролиза алюминия, количество свежего глинозема (сорбента) остается в течение некоторого времени в первом реакторе 2₁, где происходит его обогащение HF и SO₂. Затем его обрабатывают для удаления SO₂, после чего выгружают полностью во второй реактор 2₂. Там он остается столько же времени, как и в первом реакторе 2_n, и продолжает обогащаться фторидами и опять захватывает SO₂. Процесс протекает аналогично до n-го реактора 2_n, где его выгружают в главный канал 13 для фторированного глинозема с целью его рециркуляции, например, в электролизные ванны или в любое средство хранения или рециркуляции. Таким образом, только n-й реактор 2_n соединен с главным каналом 13, в который выгружают сорбент, содержащий отходы после своего прохождения через n реакторов, но очищенный от SO₂.

Изобретение не ограничивается применением в установках, показанных на описанных выше фиг. 1-3, и охватывает также установки, в которых все реакторы, по меньшей мере, одной последовательности реакторов, кроме первого из этой последовательности, в группе реакторов установки содержат, каждый, средства 16 нагнетания, питаемые не только сорбентом, рециркулируемым из средств 11 удаления непосредственно предыдущего реактора в последовательности, но также свежим сорбентом, поступающим из средств 4 хранения, в количестве, меньшем количества, поступающего в первые средства 7 нагнетания первого реактора этой последовательности, который остается единственным реактором, в который загружают только свежий сорбент, как показано на фиг. 3, а также справа на фиг.5 документа WO 2007/096492 и как описано со ссылками на эти фигуры в этом патентом документе, к которому можно обратиться для более полной информации. Так же, как и на фиг. 4 документа WO 2007/096492, один из реакторов группы реакторов установки в соответствии с изобретением может быть первым реактором, питаемым только свежим сорбентом, общим для двух последовательностей реакторов, в каждый из которых последовательно поступает сорбент, рециркулируемый из непосредственно предыдущего реактора в последовательности, или в каждый из которых последовательно-параллельно поступает не только сорбент, рециркулируемый из предыдущего реактора, но также свежий сорбент. Кроме того, как известно из предшествующего уровня техники, по меньшей мере, один реактор группы установки и, возможно, все реакторы, по меньшей мере, одной и той же последовательности или ряда группы, в том числе первый и последний реакторы этой последовательности или ряда содержат, каждый, средства 7 или 16 нагнетания, тоже питаемые сорбентом, рециркулируемым из средств 11 удаления этого же рассматриваемого реактора.

По всем этим причинам в установках в соответствии с изобретением нет необходимости оборудовать каждый реактор десорбером 17, а только один из двух реакторов, и можно предусмотреть только один десорбер 17 для двух, или трех, или четырех, или более последовательных реакторов одной последовательности или ряда, причем это число реакторов может меняться от одной установки к другой. В альтернативном варианте десорбер SO₂ 17 можно установить после каждого из реакторов или только после некоторых из них в последовательности, начиная от реактора этой последовательности, в котором сорбент достиг уровня общего насыщения, близкого к 100%, и предпочтительно своего максимального уровня насыщения, который все же может находиться в интервале от 85% до 100%.

Реферат

Изобретение относится к способу и устройству улавливания SO, присутствующего в газах, выходящих из ванн для промышленного производства алюминия методом огневого электролиза. Способ осуществляется посредством реакторов, через которые параллельно проходит газовый поток и в которые поступает сорбент типа порошка, с возможностью адсорбции отходов, присутствующих в газовом потоке, при этом каждый из реакторов содержит средства сбора сорбента после вхождения в контакт с газовым потоком, один из реакторов содержит средства удаления сорбента после вхождения в контакт с газовым потоком в средства нагнетания в другой из реакторов, причем между средствами удаления и средствами нагнетания происходит десорбция SOиз сорбента, который он адсорбировал при вхождении в контакт с газовым потоком до его прохождения в средства удаления. Изобретение обеспечивает эффективное улавливание SO. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула