Нерасходуемое анодное устройство алюминиевых электролизеров

 

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия из расплава. Техническим результатом изобретения является создание нерасходуемого анодного устройства, позволяющего исключить операции перестановки стальных анодных штырей и их обгорания, выброс вредных веществ в атмосферу, расходование анодной массы и утилизации твердых углеродсодержащих отходов. Технический результат достигается тем, что анодное устройство алюминиевого электролизера, содержащее анод, помещенный в кожух, газосборный колокол, прикрепленный к нижней части кожуха, и токоподвод, снабжено системой подачи реагента, связывающего газообразные продукты, выделяющиеся на аноде, выполненной в виде сквозных электропроводных металлических труб, вертикально установленных в теле анода на всю высоту и равномерно расположенных по всей его площади. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия, и может быть использовано для получения химически высокоактивных металлов (натрия, магния и др.) из расплавов.

Известно анодное устройство для электролиза алюминия, состоящее из угольного анодного массива, помещенного в специальный металлический кожух, к нижней части которого прикреплен газосборный колокол, токоподвода к аноду в виде стальных анодных штырей и механизмов перемещения анода и анодной рамы. (Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия, М.: Металлургия, 1971, стр. 178-179).

При электролитическом получении технического алюминия на поверхности анода находятся агрессивные газы: атомарные кислород и фтор, молекулярные F₂, O₂, СО, HF и агрессивный расплав электролита, состоящий из АlF₃, NaF, CaF₂, MgF₂, АlО₃, Al и др. Поскольку анод состоит в основном из углерода, то происходит его сгорание с образованием окиси и двуокиси углерода и, как следствие, уменьшение в размере по высоте примерно на 15 мм в сутки. Поэтому необходима перестановка токоподводящих штырей через 10-20 суток. Перестановка штырей - трудоемкий процесс, требующий ручного труда одного - двух квалифицированных рабочих, применения мостового крана и крановщика. Кроме того, на поверхности стальных штырей образуется корка, имеющая высокое электросопротивление, а очистка штырей также трудоемкий процесс. При перестановке штырей нарушается и ухудшается электрический контакт штыря с анодом, т. е. увеличиваются энергозатраты. Анодные штыри корродируют и железо из них частично переходит в алюминий, понижая его сортность и цену. При перестановке анодный штырь, нагретый до 500-900^oС, проходит через анодную массу, сжигая ее и понижая качество анода. В атмосферу цеха и окружающую среду выделяется большое количество сажи и вредных газообразных веществ.

Техническим результатом изобретения является создание нерасходуемого анодного устройства, позволяющего исключить операции перестановки и обгорания стальных анодных штырей, выброс вредных веществ в атмосферу, расходование анодной массы, а также утилизация твердых углеродсодержащих отходов и шламов алюмиевого производства, что приводит к удешевлению и упрощению процесса электролиза.

Технический результат достигается тем, что анодное устройство алюминиевого электролизера, содержащее анод, помещенный в кожух, газосборный колокол, прикрепленный к нижней части кожуха, и токоподвод, снабжено системой подачи реагента, связывающего газообразные продукты, выделяющиеся на аноде, выполненной в виде сквозных электропроводных металлических труб, вертикально установленных в теле анода на всю высоту и равномерно расположенных по всей его площади.

Совокупность указанных существенных признаков дополняет, развивает и уточняет следующий частный отличительный признак: выполнение токоподвода в виде стальных штырей и электропроводных труб.

По отношению к ближайшему аналогу у предлагаемого устройства имеются следующие отличительные признаки: система для подачи реагента-восстановителя, связывающего газообразные продукты, выделяющиеся на аноде, выполнена в виде сквозных, электропроводных металлических труб, вертикально установленных в теле анода на всю высоту и равномерно расположенных по всей его площади, что позволяет выделяющийся на аноде кислород и агрессивные газы связывать с реагентом-восстановителем, подаваемым по трубам. Образующиеся газообразные оксиды удаляются по бокам анода, при этом не расходуются стальные анодные штыри и анодная масса, отсутствует выброс сажи и вредных веществ в атмосферу, т.е. происходит упрощение и удешевление процесса, выполнение токоподвода в виде стальных штырей и электропроводных труб в соотношении 1:1 позволяет уменьшить наполовину количество стальных штырей, т.к. роль токоподвода выполняют электропроводные трубы, что также приводит к удешевлению и упрощению процесса. Приведенное соотношение является оптимальным для удержания тела анода и равномерного подвода тока к нему.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом.

На фиг. 1 представлен разрез самообжигающегося анода; на фиг.2 - разрез обожженного анода.

Нерасходуемое анодное устройство состоит из твердой 1 и жидкой частей 2 самообжигающегося анода (фиг.1) и из твердой части обожженного анода 1 (фиг. 2), заключенных в стальной кожух 3, по периметру которого установлены чугунные секции газосборного колокола 4, и системы для подачи реагента-восстановителя в виде сквозных металлических электропроводных труб 5. Токоподвод выполнен в виде стальных штырей 6 и металлических электропроводных труб 5.

Устройство работает следующим образом.

Ток подводится к аноду по штырям 5 и трубам 6. Расходуемый реагент подается по трубам 6 под анод 1.2, помещенный в анодный кожух 3, и связывается выделяющимся при электролизе кислородом, образуя газообразные оксиды, которые удаляются по бокам анода через газосборный колокол 4. Твердая часть анода при этом не расходуется.

Подвод расходуемого вещества-восстановителя должен быть такой, чтобы связывать выделяющийся кислород и не допускать окисления нерасходуемой твердой части анода. Количество и расположение металлических труб и штырей должны обеспечивать равномерные плотность тока и распределение расходуемого вещества.

При использовании заявляемого устройство целесообразно применять расходуемые газообразные жидкие или твердые углеродсодержащие или другие горючие вещества-восстановители, которые связывают выделяющийся кислород и галогены, или смесь веществ: газ - жидкость; газ - твердое вещество; жидкость - твердое вещество; газ - жидкость - твердое вещество, или подавать смесь веществ, состоящую из нескольких газообразных жидких или твердых веществ в разных их сочетаниях.

При использовании заявляемого устройства обеспечивается достижение следующих показателей.

Например, приведем реакции электролиза глинозема и сгорания углерода на аноде с указанием веса компонентов.

Следовательно, теоретически на 1 т алюминия приходится кислорода - 0.89 т/т, угарного газа - 0,52 т/т и углекислого газа - 0.81 т/т при одинаковом объемном содержании последних двух газов в отходящем анодном газе, расходуется глинозема - 1.89 т/т и углерода - 0.44 т/т. Промышленный расход анодной массы составляет 0,55 т/т, т.е. используется только 0,44•100/0,55=80% ее.

Керосин, бензин, мазут, солярка и др. представляют собой углеводороды с общей формулой С_пН_2п+2 ~ (СН₂) и плотностью 0,9 т/м³. Их сгорание происходит почти на 100%, а анодной массы всего лишь на 80%. Рассмотрим два варианта сжигания углеводородов: 1) полное сжигание до СО₂ и 2) до смеси СО: СО₂ = 1: 1, как и при сжигании нефтяного кокса в реальном процессе электролиза.

Расход вещества в т/т алюминия (нижняя строчка цифр в уравнениях) приведен в таблице.

Природный газ представляет собой пропан-бутановую смесь. Для расчета примем его как пропан C₃H₈. Его окисление запишем уравнением: Водород также можно использовать для связывания выделяющегося кислорода: Эти расчеты и примерные цены веществ приведены в таблице. Здесь же приведены расчетные данные по затратам на разные виды расходуемых веществ и затраты на них в процентах от продажной стоимости алюминия.

Анализ данных таблицы показывает, что самым выгодным расходным веществом являются собственные углеродсодержащие отходы, за которые до сих пор платят штрафы (на что указывает знак "минус").

Природный уголь содержит 6-40% зольных веществ, в число которых входят вредные для алюминия примеси железа, кремния и некоторых других металлов. Поэтому уголь можно использовать только после его очистки от примесей.

Самыми реальными для использования веществами являются жидкие и газообразные углеводороды, природный газ, солярка, мазут, бензин, нефть и др. Они относительно дешевые, достаточно чистые и удобно транспортируются на большие расстояния и внутри цеха.

Самым экологически чистым, но несколько дороже анодной массы является водород. При этом процесс электролитического получения алюминия и других металлов будет экологически чистым.

Выше мы провели расчет материальных затрат. Далее рассчитаем тепловой баланс от сжигания угля, углеводородов и водорода. Выше при каждой реакции указан тепловой эффект реакции на 1 моль веществ и удельный расход на 1 т получаемого алюминия. Как известно, и приведенные данные подтверждают, что теплота реакции горения водорода выше, чем теплота реакции горения углерода, соответственно теплота горения углеводородов будет занимать промежуточное значение. Например, теплота горения угля, углеводородов и водорода на 1 моль кислорода соответственно равна (кДж/моль): 393<~450<571, а выделяемое тепло горения при получении 1 т алюминия соответственно равно (кДж/т): 9,3•10⁶; 11•10⁶; 15,9•10⁶.

Следовательно, при использовании нерасходуемого анода с введением углеводородов и водорода получается еще экономия электроэнергии. Действительно, если подавать углеводороды и водород, то на каждой тонне алюминия экономится (11-9,3)•10⁶ = 1,7•10⁶ кДж/т = 473 кВт•ч/т и (15,9-9,3)•10⁶ = 6,6•10⁶ кДж/т = 1835 кВт•ч/т соответственно.

Промышленный удельный расход электроэнергии в электролизере на получение 1 т алюминия составляет ~18000 кВт•ч/т. Следовательно, экономия составит 2.6% и 10,2% с углеводородами и водородом соответственно. Затраты на электроэнергию составляют 20-25% от стоимости технического алюминия.

Таким образом, использование предлагаемого нерасходуемого анодного устройства по сравнению с прототипом позволяет исключить расходование анодной массы, обгорание стальных штырей и, как следствие, затраты на их покупку и перестановку, а также выброс вредных веществ в атмосферу и тем самым повысить экологичность производства алюминия.

Формула изобретения

1. Анодное устройство алюминиевого электролизера, содержащее анод, помещенный в кожух, газосборный колокол, прикрепленный к нижней части кожуха, и токоподвод, отличающееся тем, что оно снабжено системой подачи реагента, связывающего газообразные продукты, выделяющиеся на аноде, выполненной в виде сквозных электропроводных металлических труб, вертикально установленных в теле анода на всю высоту и равномерно расположенных по всей его площади.

2. Анодное устройство по п. 1, отличающееся тем, что токоподвод выполнен в виде стальных штырей и электропроводных труб.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3