NO20110421A1

NO20110421A1 - Apparatus for collecting hot gas from an electrolysis process, and a method for collecting gas with said device

Info

Publication number: NO20110421A1
Application number: NO20110421A
Authority: NO
Inventors: Are Dyroy; Odd-Arne Lorentsen; Tore Oren; Morten Karlsen
Original assignee: Norsk Hydro As
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2011-03-18
Also published as: CN102197164A; BRPI0918929B1; EP2337879A1; NO20084014L; CA2737240C; NZ591699A; ZA201102085B; AU2009292735B2; CN102197164B; NO349269B1; WO2010033037A1; EA201100508A1; BRPI0918929A2; AU2009292735A1; EP2337879B1; EP2337879A4; CA2737240A1; NO332375B1; EA019844B1

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 CO2). 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 trekke ut mer CO2-konsentrerte avgasser fra cellen enn det som er standard fremgangsmåte i aluminiumsindustrien i dag, ved benyttelse av anordninger for distribuert celle avsug (DPS). I en utførelse kan en slik DPS være integrert med en mater omfattende et brekker spett for mating av råmateriale til cellen. Varmeenergi kan ekstraheres fra de varme avgassene.An electrolytic cell in which metals are produced must be added to the exact amount of raw material (such as alumina), and as a result of the reaction that occurs in the cell, the product (like aluminum) must be extracted and any waste products (such as HF and CO2) removed. To cool the cell appropriately and ensure the collection of all the exhaust gases from the cell, which is not gas-tight, normally about 100-150 times more ambient air is sucked in than the volume of gas produced by the cell. The present invention revolves around the principles of how to extract more CO2-concentrated exhaust gases from the cell than is the standard method in the aluminum industry today, using distributed cell extraction (DPS) devices. In one embodiment, such a DPS may be integrated with a feeder comprising a breaker spigot for feeding raw material to the cell. Heat energy can be extracted from the hot exhaust gases.

Description

Den foreliggende oppfinnelse dreier seg om en fremgangsmåte og en innretning for oppsamling av gasser i en elektrolysecelle, spesielt en celle for aluminiumsproduksjon. The present invention relates to a method and a device for collecting gases in an electrolysis cell, in particular a cell for aluminum production.

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). In all modern electrolytic cells for aluminum production with pre-fired anodes, the superstructure above the cell has several individual point feeders connected to the cell superstructure. The gas collection system has several intake points along the process gas channel, which is located at the top of the superstructure, but in the form of a separate system next to the alumina feed system. Since at least one anode must normally be replaced every day, modern cells equipped with pre-burned anodes have a superstructure with several covers covering the area between the cathode and the gas collection ring located just below the anode beam, to prevent the exhaust gases from escaping into the electrolysis hall. In order to avoid this pollution, negative pressure (subatmospheric) is normally required inside the cell's superstructure, and through these openings large amounts of air are sucked into the gas extraction system together with the exhaust gases for further treatment, today fluoride recovery and in some cases removal of sulfur (cleaning ).

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. The air drawn into the superstructure also provides air cooling for the upper part of the cell with the equipment installed there (pneumatic, electrical and electronic equipment). During the anode replacement, some of the covers must be opened. In order to prevent the exhaust gases escaping into the electrolysis hall and to protect the operators from the gases, effective exhaust gas collection can be achieved during this operation by increasing the suction volume significantly as the cell is put into maintenance suction (Pot Tending Suction mode, PTS), for example with a separate suction line. With the help of a valve, the gas suction can be switched from normal to PTS, and the increased suction volume makes it possible to handle the anode replacement with several covers open on the cell without exhaust gases escaping into the electrolysis hall, i.e. that the negative pressure is maintained inside the superstructure of the cell.

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. Electrolysis cells were supplied with alumina more than a century ago by manually breaking open the upper crust of alumina and feeding alumina powder into the cell. The crust breaking was then done with a crust breaking wheel, then a crust breaking beam and finally an electronically controlled crust breaker which is installed on almost all newly built smelters. Point feeding is therefore considered the position of the technique.

Aluminiumsproduksjon gir også avgasser, hovedsakelig C02med spor av CO, men også vesentlige mengder HF og S02. Slike avgasser unnslipper elektrolyseprosessen gjennom et lag av strørknet kruste beliggende over elektrolytten, gjennom matehull men også gjennom selve krusten. 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. Aluminum production also produces exhaust gases, mainly C02 with traces of CO, but also significant amounts of HF and S02. Such exhaust gases escape the electrolysis process through a layer of solidified crust located above the electrolyte, through feed holes but also through the crust itself. In modern smelters, most of the HF and S02 are removed before the exhaust gases are released into the atmosphere, but not C02. In order to remove all the exhaust gases released from the cell and provide the cell with appropriate cooling, the usual design for the extraction involves several extraction points along the main gas channels located approximately one meter from the upper crust. These extraction points suck in a lot of false air from openings and joints in the cell's superstructure where a negative pressure is maintained within the upper covers to ensure that all the exhaust gases released from the cell are captured. The gas that is collected has a temperature that is pleasantly cold for the superstructure (100-150 °C), and the exhaust gases are greatly diluted by the fake air.

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 C02er den lave konsentrasjonen av C02i prosessgassen, typisk under 1 %. Det er både vanskelig og dyrt å fjerne lave konsentrasjoner av C02, og 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. Until recently, there has not been much focus on C02 washing as the gas is part of a natural cycle, but today's spotlight on the effects of C02 on the climate has changed this. The design limitation for modern electrolysis cells when it comes to capturing and separating C02 is the low concentration of the C02i process gas, typically below 1%. It is both difficult and expensive to remove low concentrations of C02, and therefore nothing has been found published about this in the public literature. The cost of separating C02 generally decreases with increasing C02 concentration in the exhaust gases.

Den foreliggende oppfinnelsen relateres generelt sett til gassoppsamling, fortrinnsvis med en aluminamater integrert. 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, slik som avgass som kan ha en temperatur over 100 °C, fortrinnsvis over 150 The present invention generally relates to gas collection, preferably with an integrated alumina mater. The invention relates to a method for collecting concentrated process gas for further treatment. In addition, this device makes it possible to collect process gas with a temperature that is raised sufficiently so that heat can be extracted from it, such as exhaust gas that can have a temperature above 100 °C, preferably above 150

°C. °C.

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. WO 2006/009459 describes a method and equipment for heat extraction from exhaust gases from a process plant, for example process gas from an electrolysis plant for aluminum production. This type of technology can be advantageously combined with the present invention.

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. Various industrial processes produce gases that can be contaminated by particles, dust and other substances that can lead to fouling in the energy extraction equipment. Such growth will mean reduced efficiency and may require extensive maintenance, for example cleaning the surfaces that are exposed to the gas flow. Before it is cleaned, the process gas may contain dust and/or particles that will form deposits in the heat recovery equipment and thus reduce the efficiency of the heat recovery to an undesirably low level. Therefore, energy recovery units are normally placed downstream of a gas cleaning plant, after the gas cleaning.

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. With regards to optimizing the energy extraction, it is of interest to place the extraction units as close as possible to the industrial process, where the energy content of the process gas is at its highest. This means that the energy extraction units must be placed upstream of the gas purification plant, because such plants are located relatively far from the industrial process. For example, process gas from an aluminum electrolysis reduction cell contains a large amount of energy at a relatively low temperature. This energy is currently only used to a small extent, but it can be used for heating, process purposes and power generation if technically and economically acceptable solutions for heat extraction are established. The temperature achieved in the heated fluid is decisive for the value and usefulness of the heat energy that is extracted. The heat should therefore be extracted from the process gas at the highest possible gas temperature.

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. Cooling the process gas will contribute to a lower pressure drop and velocity of the gas flow, with lower fan power as a result. The greatest reduction in pressure drop is achieved by cooling the process gas as close to the aluminum cells as possible.

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, The energy content of the process gas can be recovered in a heat exchanger (heat recovery systems) where the process gas emits heat (is cooled) to another fluid that is suitable for the purpose in question. In principle, the heat recovery system can be located: - upstream of the cleaning process - so that the heat recovery system must be run with a gas that contains particles, - downstream of the cleaning process - so that contaminated components and particles in the gas have been removed,

- i elektrolysecellen selv. - in the electrolysis cell itself.

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. Since the cleaning processes that are available today work most optimally at low temperature, energy recovery is in practice relevant only for the alternative with the heat recovery system upstream of the cleaning process. In practice, this means that the heat extraction system must be able to work with hot, particulate gas.

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. Cooling the raw gas upstream of the fans combined with heat recovery is a solution that will reduce both the volume flow of the process gas and the pressure drop in the duct system and the gas purification plant. The suction effect can thus be increased without the need to change the dimensions of the ducts or the gas purification system.

Varmen som utvinnes fra prosessgassen er tilgjengelig som prosessvarme for diverse oppvarmings- og bearbeidingsformål, for eksempel C02-utskilling. The heat extracted from the process gas is available as process heat for various heating and processing purposes, for example C02 separation.

Den foreliggende sugeanordning for gassoppsamling er i stand til å danne en effektiv oppsamling av avgass som produseres i cellen uten at alumina eller anodedekkemateriale (ACM) kommer inn i sugeanordningen. I kombinasjon med en punktmater gir dette et kompakt design. The present suction device for gas collection is able to form an efficient collection of off-gas produced in the cell without alumina or anode covering material (ACM) entering the suction device. In combination with a point feeder, this results in a compact design.

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. US Patent 4,770,752 from 1988 describes a system in which the gas collection jacket is brought into contact with the crust and corresponds to a hole in the crust. The purpose of this invention is to collect the exhaust gases from the cell to purify fluoride components with alumina and then return the alumina and fluorides to the cell again with a separate alumina feeder. C02 washing and heat extraction are not mentioned, with the exception of a pre-heating of the alumina. This invention has a limitation with regard to maintenance and possible damage that occurs during the replacement of the anodes, since the sheath is so close to the anodes and the crust. There is no indication of facilities that utilized this invention, which underpins the aforementioned disadvantages.

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 C02og 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. JP Patent 57174483 from 1981 describes a method and device for continuously measuring the current efficiency of an aluminum electrolysis cell. The purpose is to measure the current efficiency quickly and continuously and control the supply of raw materials by collecting the gases produced from the cell continuously, measuring the concentrations of C02 and CO successively, converting these into electrical signals and feeding the signals into a regulator. The collection unit is not fully described but appears to be in contact with the crust with the same drawbacks as above.

US Patent 4, 770, 752 fra 1988 beskriver et system der en kappe er brakt i kontakt med skorpen, og samsvarer med et hull som er lagd i skorpen. Formålet med denne oppfinnelsen er å samle opp avgassene fra cellen for en rensing av fluorkomponenter med alumina som er lokalisert nær cellen, og deretter føre aluminaen og de nevnte komponentene direkte tilbake til den samme cellen som de kommer fra. US Patent 4,770,752 from 1988 describes a system in which a sheath is brought into contact with the crust, and corresponds to a hole made in the crust. The purpose of this invention is to collect the exhaust gases from the cell for a purification of fluorine components with alumina which is located near the cell, and then bring the alumina and the aforementioned components directly back to the same cell from which they come.

US Patent 5, 968, 334 beskriver fjerning av minst én av gassene CF4og C2F6fra avgassene fra en elektrolysecelle ved hjelp av en membran. US Patent 5,968,334 describes the removal of at least one of the gases CF 4 and C 2 F 6 from the exhaust gases of an electrolysis cell by means of a membrane.

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. Det skal forstås at avsuget også kan plasseres andre steder over krusten i cellen, hvis hensiktsmessig. The present invention concerns the principle of distributed suction (Distributed Pot Suction, DPS), where you can combine the supply of the raw material alumina to the cell with the simultaneous extraction of more C02-concentrated exhaust gases from a hole in the upper crust of the cell than is standard procedure in the aluminum industry today. It should be understood that the suction can also be placed elsewhere above the crust in the cell, if appropriate.

De fire totalvirkningene man får med hensyn til avgassene er: The four total effects with regard to the exhaust gases are:

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. 1. A smaller total volume of gas is withdrawn from the cell, with the possibility of reducing the total size of the exhaust gas treatment facilities/exhaust gas treatment centers (FTP/FTC) or the gas treatment facilities (GTC). 2. As a result of point 1, the collected process gas will have a higher temperature than before and is therefore more suitable for heat recovery. 3. If less "false air" is sucked into the gas collection chambers, the concentration of C02 in the exhaust gases increases significantly, so that it becomes possible to capture and separate C02 with standard technology used to capture C02 from power plants.

4. Forbedringer med hensyn til gasstrømmen innvendig i overbygget. 4. Improvements with regard to the gas flow inside the superstructure.

Disse og andre fordeler kan oppnås med oppfinnelsen som defineres ved de vedlagte patentkravene. These and other advantages can be achieved with the invention as defined by the attached patent claims.

I det følgende blir oppfinnelsen forklart mer inngående med eksempler og Figurer, der: In the following, the invention is explained in more detail with examples and Figures, where:

Fig. 1 viser i en utførelse en distribuert avsugingsinnretning (DPS) i henhold til Fig. 1 shows in one embodiment a distributed extraction device (DPS) according to

oppfinnelsen, the invention,

Fig. 2 viser en fluiddynamisk modell av avgassoppsamlingen fra en avsugingsinnretning Fig. 2 shows a fluid dynamic model of the exhaust gas collection from an extraction device

som innbefatter en kappe med enkeltveggutforming, which includes a sheath of single wall design,

Fig. 3 viser en fluiddynamisk modell av avgassoppsamlingen fra en avsugingsinnretning Fig. 3 shows a fluid dynamic model of the exhaust gas collection from an extraction device

som innbefatter en kappe med dobbeltveggutforming, which includes a jacket with a double-wall design,

Fig. 4 viser (delvis) et bilde av den dobbeltveggede oppsamlingskappen sett nedenfra. Fig. 4 shows (partially) a picture of the double-walled collecting hood seen from below.

Fig. 5a viser i tversnitt en andre utførelse av en DPS, Fig. 5a shows in cross-section a second embodiment of a DPS,

Fig. 5b viser i sideriss den DPS vist i Fig. 5a, rotert 90 grader om sin lengdeakse, Fig. 5b shows in side view the DPS shown in Fig. 5a, rotated 90 degrees about its longitudinal axis,

Fig. 5c viser en forstørret skisse av en fordelingsplate for den DPS vist i Fig. 5a og 5b, Fig. 6 viser et diagram som viser C02-konsentrasjonen i en celle med tradisjonell Fig. 5c shows an enlarged sketch of a distribution plate for the DPS shown in Figs. 5a and 5b, Fig. 6 shows a diagram showing the CO2 concentration in a cell with traditional

avgassoppsamling i cellens overbygning, exhaust gas collection in the superstructure of the cell,

Fig. 7 viser et diagram som viser C02-konsentrasjonen under varierende forhold fra Fig. 7 shows a diagram showing the C02 concentration under varying conditions from

«normal» til venstre, til «ren DPS-oppsamling» til høyre, "normal" on the left, to "pure DPS collection" on the right,

Fig. 8 viser et skjematisk gasstrømingsmønster i overbygget til en celle hvor det Fig. 8 shows a schematic gas flow pattern in the superstructure of a cell where it

betjenes fem DPS enheter, sett ovenfra, operated five DPS units, seen from above,

Fig. 9 viser et diagram hvor det fremgår trykkfordeling / gasstrømning i en elektrolyse Fig. 9 shows a diagram showing pressure distribution / gas flow in an electrolysis

celle med avsug i toppen av overbygget, cell with extraction at the top of the superstructure,

Fig. 10 viser et diagram som angir trykkfordeling / gasstrømning i en elektrolysecelle med avsug i samsvar med den foreliggende DPS oppfinnelse, og hvor det ikke foretas avsug i toppen av overbygget. Fig. 10 shows a diagram indicating pressure distribution / gas flow in an electrolysis cell with extraction in accordance with the present DPS invention, and where extraction is not carried out at the top of the superstructure.

Maksimal gassoppsamling fra den distribuerte avsugingsinnretningen (DPS), kan oppnås ved å utforme oppsamlingskappen på forskjellig vis. En av prototypene som ble utformet under utviklingen av oppfinnelsen hadde en énvegget oppsamlingskappe 4' (se resultatene for oppsamlingseffektiviteten fra CD-modelleringen på figur 2). En annen versjon av avsugingskappen 4 hadde dobbelte vegger (se figur 3) der innsugingshastigheten mellom de dobbelte veggene er vesentlig høyere enn i midten. Tykkere linjer indikerer høyere avsugsmengder. Maximum gas collection from the distributed extraction device (DPS) can be achieved by designing the collection jacket in different ways. One of the prototypes designed during the development of the invention had a single-walled collection jacket 4' (see the collection efficiency results from the CD modeling in figure 2). Another version of the suction hood 4 had double walls (see Figure 3) where the suction speed between the double walls is significantly higher than in the middle. Thicker lines indicate higher suction quantities.

Denne ekstra innsugingseffekten skaper en kunstig «luftvegg» som gir mer effektiv avgassoppsamling fra hullet "H" i skorpen "C" 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. I Figurene angir henvisningstall 7 spettet til skorpebrekkeren. This additional suction effect creates an artificial "air wall" that provides more efficient exhaust gas collection from the hole "H" in the crust "C" and reduces the disturbances from cross flows. You can also equip DPS with compressed air and blow air through this joint, but then more of the compressed air in the electrolysis hall is used up to this point. In the figures, reference number 7 indicates the tip of the crust breaker.

Detaljert beskrivelse av de foretrukne realiseringene Detailed description of the preferred realizations

Det følgende er en funksjonsbeskrivelse av DPS (distribuert avsuging) kombinert med en punktmater: På figur 1 er den pneumatiske sylinderen til skorpebrekkeren markert med referansenummer 1, og den er festet til hovedbestanddelene av DPS. I Figuren er det vist oppsamlingshette 4, aluminamaterør 3, gassavsugkanal 5 med en ventil 6. På den andre siden av ventilen er det vist en kanal 2. The following is a functional description of the DPS (distributed suction) combined with a point feeder: In Figure 1, the pneumatic cylinder of the crust breaker is marked with reference number 1, and it is attached to the main components of the DPS. In the figure, collection cap 4, alumina feed pipe 3, gas extraction channel 5 with a valve 6 are shown. On the other side of the valve, a channel 2 is shown.

Under drift føres den normale gasstrømmen til ovnens overbygning gjennom DPS, og det settes opp et DPS-punkt på hvert av matepunktene til ovnen. Sugevirkningen for det distribuerte avsuget som føres inn gjennom kanalen 2 som er reservert for dette, kan fortrinnsvis kobles retrofit 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. During operation, the normal gas flow to the furnace superstructure is led through the DPS, and a DPS point is set up at each of the feed points to the furnace. The suction effect for the distributed suction which is brought in through the channel 2 which is reserved for this, can preferably be retrofitted to an existing feeder, or alternatively be part of a new construction that replaces an existing feeder. The alumina can be fed from a fluidized feeder, but also from mechanical feeders.

Når gassen trekkes gjennom punkt 2, blir den samlet opp i en hovedkanal/manifold på cellens overbygning som viderebefordrer gass fra alle matepunktene (ikke vist). 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. When the gas is drawn through point 2, it is collected in a main channel/manifold on the cell's superstructure which carries on gas from all the feed points (not shown). From these transition points, the gas is transported to the exhaust gas treatment systems (i.e. fluoride recovery and S02 purification) and from there fed into any commercial C02 scrubbing systems that can handle the actual C02 concentrations or to combustion systems such as gas turbines, coal-fired power plants or biomass incinerators.

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). When the cell is to be serviced, the main collection channel for the DPS points is closed, and the main channels in the cell's superstructure are activated to switch to maintenance suction (PTS) from the cell (i.e. the cell's suction volume is increased to 2-4 times the normal).

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. The concentrated process gas is hotter than normal, which makes it suitable for heat recovery. On the other hand, the hotter gas can damage the superstructure and the electronics there. One way to solve this new challenge is to thermally insulate the components of the gas collection systems in the superstructure and further to the place where the heat extraction can take place outside the cell.

Et annet alternativ kan være å anbringe gasoppsamlingshetter og deres korresponderende kanaler med noe avstand til andre installasjoner inne i overbygget. Another alternative could be to place gas collection hoods and their corresponding ducts at some distance from other installations inside the superstructure.

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. Process gases from several cells can be connected to the same heat recovery unit. The process gas is then sent to classic exhaust gas treatment to remove dust, HF and SO2. Depending on whether one connects the exhaust gases to another process in the form of combustion air or directly to a C02 scrubbing unit, it may be necessary to give the exhaust gases a cleaning that is sufficient so that it does not damage these process steps.

Hovedtrekkene til en utførelse av den foreliggende oppfinnelsen er å integrere punktmateren for alumina med skorpebrekkeren 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, SOx og 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. The main features of an embodiment of the present invention are to integrate the point feeder for alumina with the crust breaker and the point extraction system. The progress due to the DPS is a different composition and higher temperature in the collected process gas. The gas collected by the DPS will contain much less "false air", and therefore have a higher concentration of dangerous gases (fluoride, SOx and C02). This will simplify fluoride extraction and SOx purification. The goal is to increase the C02 concentration so much that commercial C02 scrubbing techniques can be used to remove it. Due to the lower air content and the installation just above the feed points, the collected exhaust gases also have a higher temperature than the usual process gas, which increases the potential for heat exchange.

Det bør være klart for enhver fagperson at oppsamlingskappen for prosessgassen kan tilpasses til en hvilken som helst type punktmater, men også plasseres i nærheten av en slk mater uten å være en integrert del av denne. It should be clear to any person skilled in the art that the collection jacket for the process gas can be adapted to any type of point feeder, but can also be placed near such a feeder without being an integral part of it.

Suget i kanal 2 på figur 1 kan også deles i to uavhengige avsugingspunkter som kan reguleres, der sugeeffekten fra rommet 11 mellom de indre- og de ytre veggene 14, 13 og fra innsiden 12 av kappen 4 kan reguleres uavhengig av hverandre. Se også Fig. 4. The suction in channel 2 in figure 1 can also be divided into two independent suction points that can be regulated, where the suction effect from the space 11 between the inner and outer walls 14, 13 and from the inside 12 of the jacket 4 can be regulated independently of each other. See also Fig. 4.

Innerveggen 14 til innsugingskappen 4 kan være enten hel eller perforert, d.v.s. enten med eller uten hull. Dessuten kan veggene til avsugingskappen 4 være skråstillet utover på en slik måte at hastighetsvektoren for suget kan rettes i en hvilken som helst vinkel mellom 0 og 180 grader nedover mot skorpen. The inner wall 14 of the suction cover 4 can be either whole or perforated, i.e. either with or without holes. Moreover, the walls of the suction hood 4 can be inclined outwards in such a way that the velocity vector for the suction can be directed at any angle between 0 and 180 degrees downwards towards the crust.

I Fig. 5a er det vist, i et tverrsnitt, en andre utførelse av en DPS, integrert med en punktmater In Fig. 5a, a second embodiment of a DPS, integrated with a point feeder, is shown in a cross section

(PF). (PF).

I dette utførelseseksempelet er det vist en indre vegg 28 formet som en rektangulær stuss, og en ytre vegg 26, også formet som en rektangulær stuss. Rommet mellom den indre og den ytre vegg definerer et sugekammer mellom disse vegger, med åpning 15. Den indre veggen strekker seg nærmere krusten enn den ytre veggen og har sugeåpning 16. Videre vises et alumina materør 23, 23' sugekanal 22, pneumatisk sylinder 21 og en skorpebrekker (spett) 27. In this design example, an inner wall 28 shaped like a rectangular socket is shown, and an outer wall 26, also shaped like a rectangular socket. The space between the inner and outer walls defines a suction chamber between these walls, with opening 15. The inner wall extends closer to the crust than the outer wall and has suction opening 16. Also shown is an alumina feed pipe 23, 23' suction channel 22, pneumatic cylinder 21 and a crust breaker (woodpecker) 27.

Fig. 5b viser i et sideriss den DPS som vises i Fig. 5a, rotert 90 grader om sin lengdeakse. I dette riss vises den ytre vegg 26, utløp 22 og 22' og en manifold plate 30. Manifold platen er vist mer detaljert og forstørret i Fig. 5c. Hensikten med manifold platen er å distribuere suget fra utløp 22, 22' på en jevn måte til rommet mellom de ytre og indre vegger. Dette er oppnådd ved anbringelse av passende åpninger O, O', O", O'" eller spor gjennom platen. Platen har videre åpninger for alumina materør 23' og en stang tilhørende punktmateren PF. Fig. 5b shows in a side view the DPS shown in Fig. 5a, rotated 90 degrees about its longitudinal axis. In this drawing, the outer wall 26, outlets 22 and 22' and a manifold plate 30 are shown. The manifold plate is shown in more detail and enlarged in Fig. 5c. The purpose of the manifold plate is to distribute the suction from outlet 22, 22' evenly to the space between the outer and inner walls. This is achieved by placing suitable openings O, O', O", O'" or grooves through the plate. The plate also has openings for the alumina feed pipe 23' and a rod belonging to the point feeder PF.

Videre kan den nedre del av den ytre veggen 26 være utstyrt med en divergerende deflektor (ikke vist). Deflektoren kan være representert ved en plateformet del på alle sidene til den ytre veggen og fortrinnsvis ha en vinkel (3 med hensyn til horisontalplanet. Hensikten med deflektoren er å bidra til å lede gassen som suges inn i avsugingskappen. Vinkelen B kan fortrinnsvis være i størrelsesorden 30 - 60 °. Furthermore, the lower part of the outer wall 26 can be equipped with a diverging deflector (not shown). The deflector can be represented by a plate-shaped part on all sides of the outer wall and preferably have an angle (3) with respect to the horizontal plane. The purpose of the deflector is to help guide the gas that is sucked into the exhaust hood. The angle B can preferably be of the order of magnitude 30 - 60 °.

Videre kan det anbringes en støvfelle 29 (se Fig. 5a) i den indre delen av kappen for å unngå at alumina og andre partikulære bestanddeler trekkes med den avsugde gassen og videre innover i gassavtrekksystemet. Støvfellen i en slik utførelse kan være representert ved en eller flere spalter 29 i den indre veggen, dvs. den veggen som skiller rommet mellom de doble vegger fra det indre området av avsugingskappen. Fortrinnsvis er sporet anbrakt nær toppveggen i det indre rommet av kappen, og på en slik måte at når sug er satt på til rommet mellom veggene vil det bli et sug av gass gjennom nevnte spor. På dette vis vil gass inneholdende partikulært materiale og som entrer det indre rom av kappen, bli aksellerert og støte mot "taket" i kappen og falle ned på krusten eller matehullet under kappen. Furthermore, a dust trap 29 (see Fig. 5a) can be placed in the inner part of the jacket to avoid that alumina and other particulate components are drawn with the extracted gas and further into the gas extraction system. The dust trap in such an embodiment can be represented by one or more slits 29 in the inner wall, i.e. the wall which separates the space between the double walls from the inner area of the extraction hood. Preferably, the groove is located near the top wall in the inner space of the jacket, and in such a way that when suction is applied to the space between the walls, there will be a suction of gas through said groove. In this way, gas containing particulate material and entering the inner space of the mantle will be accelerated and collide with the "ceiling" of the mantle and fall onto the crust or the feed hole below the mantle.

Videre så kan netto gasstrøm åpning av sporene være designet slik at et sug i rommet mellom de indre- og de ytre vegger også vil generere et passende sug inne i rommet definert ved den indre vegg, og således definere et forhold mellom sugeeffekten ved innløpet 15 versus innløpet 16. Furthermore, the net gas flow opening of the slots can be designed so that a suction in the space between the inner and outer walls will also generate a suitable suction inside the space defined by the inner wall, thus defining a relationship between the suction effect at the inlet 15 versus inlet 16.

Hensiktsmessig kan tverrsnittsarealet av rommet mellom den indre- og den ytre vegg øke nedstrøms strømningen fra det andre innløpet 15, for således å redusere strømningshastigheten. Appropriately, the cross-sectional area of the space between the inner and outer walls can increase the downstream flow from the second inlet 15, in order to thus reduce the flow rate.

Avsugingskappen er fortrinnsvis plassert avstandsmessig fra krusten, hvilket tillater at anoder kan passere under den i forbindelse med anodeskift. Hensiktsmessig kan kappen være plassert ved en minimumsavstand til krusten, avhengig av sugeeffekten. Fortrinnsvis er avstanden fra 10 til 1000 mm. The suction hood is preferably placed at a distance from the crust, which allows anodes to pass under it in connection with anode replacement. Appropriately, the jacket can be placed at a minimum distance to the crust, depending on the suction effect. Preferably, the distance is from 10 to 1000 mm.

Avstanden må hensynta hastigheten for opphenting av alumina/anodedekkemateriale (ACM) som er i størrelsesorden 7 meter i sekundet. Avstanden mellom kappen og toppen av krusten må sikre at disse hastigheter ikke nås på toppen av krusten. The distance must take into account the speed for the collection of alumina/anode covering material (ACM) which is of the order of 7 meters per second. The distance between the mantle and the top of the crust must ensure that these velocities are not reached at the top of the crust.

Denne utførelsen av DPS er designet slik at ved fysiske størrelse blir de varme gasser som avsuges og de tekniske elementer ved skorpebrekkeren adskilt så mye som mulig, slik at det induseres så lite termisk påkjenning som mulig på skorpebrekkerens vitale deler. This version of the DPS is designed so that, due to its physical size, the hot gases that are extracted and the technical elements of the crust breaker are separated as much as possible, so that as little thermal stress as possible is induced on the crust breaker's vital parts.

I Fig. 6 er det vist et diagram som angir C02konsentrasjonen i en celle med tradisjonell avgassoppsamling fra innsiden av cellens overbygg. Fig. 6 shows a diagram indicating the C02 concentration in a cell with traditional exhaust gas collection from the inside of the cell's superstructure.

I Fig. 7 er det vist et diagram som viser C02konsentrasjonen under varierende forhold fra "normal" til venstre, til "kun DPS oppsamling" til høyre. In Fig. 7, a diagram is shown showing the C02 concentration under varying conditions from "normal" on the left, to "only DPS collection" on the right.

Fig. 8 viser et diagram hvor det fremgår et skjematisk strømningsmønster i en celle, basert på fem DPS enheter i cellen, sett ovenfra. Pilene indikerer gasstrømen over krusten som tydelig er rettet mot de individuelle avsugspunktene. Fig. 8 shows a diagram showing a schematic flow pattern in a cell, based on five DPS units in the cell, seen from above. The arrows indicate the gas flow over the crust which is clearly directed towards the individual suction points.

Ved disse midler er det muliggjort å trekke ut mesteparten av prosessgassen som utvikles i cellen. I tillegg, ved å ekstrahere dette forholdsvis store volum av gass rett over krusten hvor kappene er lokalisert, vil det globale strømningsmønsteret inne i overbygningen til cellen bli påvirket på en positiv måte. Dette vil bli nærmere forklart med henvisning til Fig. 9 og 10. With these means, it is possible to extract most of the process gas that develops in the cell. In addition, by extracting this relatively large volume of gas directly above the crust where the mantles are located, the global flow pattern inside the superstructure of the cell will be affected in a positive way. This will be explained in more detail with reference to Fig. 9 and 10.

I Fig. 9 er det vist trykk fordeling / gasstrøm i en elektrolysecelle av vanlig kjent type med evakuering "E" av prosessgass i toppen av cellens overbygg. I et slikt arrangement vil det oppstå en skorsteinseffekt som sammen med det faktum at gassen blir avsugd i toppen av cellen vil dominere strømningsmønsteret inne i cellen. Fig. 9 shows the pressure distribution / gas flow in an electrolysis cell of a commonly known type with evacuation "E" of process gas at the top of the cell's superstructure. In such an arrangement, a chimney effect will occur which, together with the fact that the gas is extracted at the top of the cell, will dominate the flow pattern inside the cell.

I Figuren er cellen i en normal driftsfase med lukket overbygg og alle deksler lukket. In the Figure, the cell is in a normal operating phase with the superstructure closed and all covers closed.

I Fig. 10 er det vist en trykk fordeling i en elektrolysecelle med evakuering "E" av prosessgass i samsvar med foreliggende oppfinnelse, med fem DPS enheter og uten avsug i toppen av overbygget. Som i Fig. 9 så er cellen i en normal driftsfase med lukket overbygg. Fig. 10 shows a pressure distribution in an electrolysis cell with evacuation "E" of process gas in accordance with the present invention, with five DPS units and without extraction at the top of the superstructure. As in Fig. 9, the cell is in a normal operating phase with a closed superstructure.

Utskilling og lagring av C02i henhold til den foreliggende oppfinnelsen kan i én realisering gjøres i følgende trinn: Separation and storage of C02 according to the present invention can in one implementation be done in the following steps:

1) C02-produksjon i cellen 1) C02 production in the cell

2) Samle opp avgasser med høyt C02-innhold 2) Collect exhaust gases with a high C02 content

3) Varmeutvinning fra den nevnte gassen 3) Heat recovery from the aforementioned gas

4) Forvasking 4) Pre-washing

5) Gass til andre prosesser og/eller føre gass til C02-vasker 5) Gas for other processes and/or lead gas to C02 washers

6) Renset gass føres ut av vaskeren, C02føres til en komprimeringsstasjon 6) Purified gas is led out of the scrubber, C02 is led to a compression station

7) Flytende C02transporteres til lagring. 7) Liquid C02 is transported to storage.

Claims

1. Device for collecting hot gas from an electrolysis process that produces metal comprising a collection jacket (4) placed over an area where the gas is developed, characterized in that the gas collection cap has at least two inlets (11,12; 15, 16) for the gas that is collected.

2. Device according to claim 1, characterized by a first inlet (12; 16) is surrounded by a second inlet (11; 15).

3. Device according to claim 2, characterized by the collecting jacket (4) is formed by a double-walled construction, an inner (14; 28) and an outer wall (13; 26), where the second inlet (11; 15) is formed at a defined distance between the two mentioned walls.

4. Device according to claim 3, characterized by the cross-sectional area of the space between the inner wall (14; 28) and the outer wall (13; 26) is increasing downstream of a flow from the second inlet (11; 15), so that the gas velocity is reduced.

5. Device according to claim 3 characterized by the inner wall (28) extends closer to the gas developing area than the outer wall (26).

6. Device according to claim 3 characterized by the inner wall (28) has at least one gap (29) in its upper part which allows gas to flow from the first inlet (16) to the space between the two walls.

7. Device according to claim 4 characterized by the lower part of the outer wall (26) is outwardly divergent with respect to the inner wall.

8. Device according to claims 1-5, characterized by the velocity of the gas flow through the first inlet (12; 16) is different from the velocity through the second inlet (11; 15), and preferably lower.

9. Device according to claim 1 characterized by it is integrated together with a point feeder (PF), equipped with a crust breaker (27).

10. Device according to claim 7, characterized by it is placed over a feeding hole (H) created by a point feeder's crust breaker (27), and at a distance preferably 10 - 1000 mm above the crust (C).

11. Device according to claim 9 or 10 characterized by feeding is done on the inside of or in the immediate vicinity of the gas collection jacket (4).

12. Device according to claim 1 characterized by all process gases can be collected through the device by suitable suction power without the use of other gas collection in the cell's superstructure during normal operation.

13. Device according to claim 1 characterized by the extraction in the hood can be run as normal while feeding the alumnia.

14. Device according to claim 1 characterized by the exhaust in the jacket can be closed during feeding of alumina.

15. Device according to claim 1 characterized by the exhaust gas can be used for heat recovery.

16. Device according to claim 1 characterized by the exhaust gases that are collected can be cleaned to separate out gases such as HF, S02, C02, steam and dust.

17. Device according to claim 1 characterized by the shape of the collection cap (4) is either circular, elliptical, square or rectangular.

18. Device according to claim 1 characterized by the shape of the collection cap (4) is optimized for the required suction volume, for example conical.

19. Device according to claim 1 characterized by it can be combined with a separate gas collection system used during standard operations such as anode replacement and metal tapping.

20. Device according to claim 1 characterized in that: the electrolysis process is used to produce aluminum or other metals.

21. Device according to claim 1 characterized by the device is connected to heat-insulated collection systems/pipes for exhaust gases inside the cell's superstructure.

22. Method for collecting hot gas from an electrolysis process at the device as defined in one or more of the preceding claims 1 - 21, characterized by the gas is collected in the immediate vicinity of a crust (C) and in that the composition of the process gas comprises at least 0.5-10% C02.

23. Method according to claim 22, characterized by the gas collects near a feed hole (H) in the crust (C).

24. Procedure according to claim 23, characterized by the exhaust gases have a temperature of over 100 °C, preferably over 150 °C.

25. Method according to claim 22, characterized by heat is extracted from the exhaust gases with suitable heat exchange means, such as an exhaust gas heat exchanger.

26. Method according to claim 22, characterized by the exhaust gases are separated downstream into a C02-enriched component.