NO832433L

NO832433L - PROCEDURE FOR RECOVERY OF HEAT FROM OVEN FOR PRODUCTION OF ALUMINUM.

Info

Publication number: NO832433L
Application number: NO832433A
Authority: NO
Inventors: Eyvind Frilund; Per Holmberg
Original assignee: Hb Consult Raodgivande Ing Ab
Priority date: 1981-11-04
Filing date: 1983-07-04
Publication date: 1983-07-04
Also published as: AU9058282A; BR8208071A; EP0107662A1; JPS58501951A; WO1983001631A1

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en fremgangsmåte for gjenvinning av varme fra ovn for fremstilling av aluminium ved smelteelektrolyse av aluminiumoksyd, idet ovnsgassene bringes til å passere gjennom et leie av aluminiumoksyd samtidig som de fluidiserer nevnte leie. The present invention relates to a method for recovering heat from a furnace for the production of aluminum by melting electrolysis of aluminum oxide, the furnace gases being caused to pass through a bed of aluminum oxide at the same time as they fluidize said bed.

Smelteelektrolyse finner sted i ovner som er utviklet spesi-elt for dette formål og er utformet som et kar, som i al-minnelighet er av stål og foret med en murkonstruksjon. Katoden ligger normalt i ovnens bunn og er fremstilt i karbonmaterial, mens anoden f.eks. kan være av forinnbrent type eller Søderberg-type samt vanligvis føres ned i elektro-lysebadet ovenfra. Anoden forbrukes under elektrolyseprosessen og må erstattes kontinuerlig. Melting electrolysis takes place in furnaces that have been developed specifically for this purpose and are designed as a vessel, which is generally made of steel and lined with a masonry structure. The cathode is normally located at the bottom of the oven and is made of carbon material, while the anode e.g. can be of the pre-burned type or the Søderberg type and are usually led down into the electrolysis bath from above. The anode is consumed during the electrolysis process and must be replaced continuously.

Aluminiumoksyd og visse faste tilsatser tilføres elektro-lytten gjennom eller ved siden av anoden, og det ferdig fremstilt aluminium tappes ut i satser ved hjelp av en hevertanordning eller ved oppsugning. Aluminum oxide and certain solid additives are supplied to the electrolyte through or next to the anode, and the finished aluminum is drawn off in batches using a siphon device or by suction.

De gasser som dannes under elektrolyseprosessen, nemlig ovnsgassene, består av karbonmonooksyd, karbondioksyd samt en blanding av hydrokarboner og fluorhydrokarboner med mere, The gases that are formed during the electrolysis process, namely the furnace gases, consist of carbon monoxide, carbon dioxide and a mixture of hydrocarbons and fluorohydrocarbons, etc.

og føres normalt bort i blanding med ventilasjonsluft, enten direkte til den omgivende luft i det rom hvor ovnen er mon-tert, eller til en eller annen oppsamlingsanordning, f.eks. platehetter, for å gjenvinne de faste partikler som følger med ovnsgassene og består av fluorsalter. De bortførte ovnsgasser har imidlertid et betraktelig energiinnhold, som ved et anlegg for fremstilling av 80 000 tonn råaluminium pr. and is normally removed in a mixture with ventilation air, either directly to the surrounding air in the room where the stove is installed, or to some collection device, e.g. plate hoods, to recover the solid particles that come with the furnace gases and consist of fluorine salts. The removed furnace gases, however, have a considerable energy content, which in a plant for the production of 80,000 tonnes of raw aluminum per

år er av størrelsesorden 20 MW. year is of the order of 20 MW.

For å ta vare på denne energimengde og nedsette energitap-ene ved aluminiumfremstilling under samtidig uttak og gjenvinning av de fluorsalter som forekommer i ovnsgassene, er det tidligere foreslått å la ovnsgassene,etter at de har passert gjennom nevnte leie av aluminiumoksyd, også passere gjennom en varmeveksler for varmeutveksling mellom ovnsgassene og et ytre medium (US patentskrift nr. 3.664.935). Her-under tiltettes imidlertid varmeveksleren raskt ved avlei-ring av støv fra ovnsgassen, således at varmeveksleren ofte må rengjøres. In order to take care of this amount of energy and reduce the energy losses during aluminum production while simultaneously extracting and recycling the fluorine salts that occur in the furnace gases, it has previously been proposed to let the furnace gases, after they have passed through the aforementioned layer of aluminum oxide, also pass through a heat exchanger for heat exchange between the furnace gases and an external medium (US patent no. 3,664,935). Here, however, the heat exchanger is quickly clogged by the deposition of dust from the furnace gas, so that the heat exchanger must be cleaned often.

For å fjerne denne ulempe foreslås i henhold til foreliggende oppfinnelse at leiet av aluminiumoksyd fluidiseres omkring en eller flere rørsløyfer for varmeveksling mellom ovnsgassene og et ytre medium som passerer gjennom nevnte en eller flere rørsløyfer. In order to remove this disadvantage, according to the present invention, it is proposed that the bed of aluminum oxide is fluidized around one or more pipe loops for heat exchange between the furnace gases and an external medium that passes through said one or more pipe loops.

Ved dette oppnås ikke bare at vedkommende rørsløyfer stadig blåses rene av partiklene i det fluidiserte leie, men også at nevnte en eller flere rørsløyfer kan gis mindre overflate og således utføres med mindre omfang og billigere for over-føring av en forut bestemt varmeenergimengde, idet varmeover-føringstallet på grunn av fluidiseringen blir mange ganger større. This achieves not only that the pipe loops in question are constantly blown clean of the particles in the fluidized bed, but also that said one or more pipe loops can be given a smaller surface area and thus performed with a smaller scope and cheaper for the transfer of a predetermined quantity of heat energy, since heat transfer - the conductivity due to the fluidization becomes many times greater.

Hvis flere rørsløyfer er anordnet, kan disse være koblet i serie. If several pipe loops are arranged, these can be connected in series.

Særlig fordelaktig er det å la ovnsgassene passere katoden for smelteelektrolysen før de tilføres det fluidiserte leie og vedkommende rørsløyfe eller rørsløyfer. Det er i prak-sis vanlig at katoden kjøles ved fri konveksjon, således at man om vinteren, når luften er kald, må kompensere for den kraftigere varmeavgang ved øket tilførsel av elektrisk energi for elektrolyseprosessen. Ved at nedkjølingen av katoden frembringes ved hjelp av ovnsgassene, oppnås en regulert varmetransport bort fra katoden, hvilket innebærer et nedsatt energiforbruk ved elektrolysen. It is particularly advantageous to allow the furnace gases to pass the cathode for the melt electrolysis before they are supplied to the fluidized bed and the tube loop or loops in question. In practice, it is common for the cathode to be cooled by free convection, so that in winter, when the air is cold, you have to compensate for the stronger heat loss by increasing the supply of electrical energy for the electrolysis process. As the cooling of the cathode is produced with the help of the furnace gases, a regulated heat transport away from the cathode is achieved, which means a reduced energy consumption during the electrolysis.

For nærmere forklaring av foreliggende oppfinnelse vil denne i det følgende bli nærmere beskrevet under henvis-ning til vedføyde tegning, som i vertikalsnitt skjematisk viser et anlegg for utøvelse av foreliggende fremgangsmåte . For a more detailed explanation of the present invention, it will be described in more detail in the following with reference to the attached drawing, which in vertical section schematically shows a plant for carrying out the present method.

På tegningen er det vist en ovn 10 for smelteelekrolyse The drawing shows a furnace 10 for melt electrolysis

av aluminiumoksyd, og som omfatter en anode 11 og en katode 12. Et tilløp 13 for tilførsel av aluminiumoksyd til ovnen er anordnet på oversiden av denne. Ovnsrommet er lukket, men er gjennom en ledning 14 forbundet med en kjølekappe 15 anordnet omkring katoden 12, idet kjøle-kappen gjennom en ledning 16 også er tilsluttet en pumpe 17. Mellom ledningene 16 og 14 er det ført en ytterligere ledning 18 med en pumpe 19 for tilbakeføring av ovnsgass som tas ut fra kappen 15, tilbake til kappen. Ovnen 10 of aluminum oxide, and which comprises an anode 11 and a cathode 12. An inlet 13 for supplying aluminum oxide to the furnace is arranged on the upper side of this. The furnace chamber is closed, but is connected through a line 14 to a cooling jacket 15 arranged around the cathode 12, the cooling jacket is also connected to a pump 17 through a line 16. Between the lines 16 and 14 there is a further line 18 with a pump 19 for the return of furnace gas which is taken out from the jacket 15, back to the jacket. The oven 10

og kappen 15 er hensiktsmessig varmeisolert mot omgivel-sene. Ved hjelp av pumpen 17 suges ovnsgassene ut fra ovnen gjennom ledningen 14 og bringes til å passere gjennom kappen 15 for varmeveksling med katoden 12, som derved nedkjøles. Ovnsgassene, som nå er ytterligere opp-varmet, overføres ved hjelp av pumpen 17 til en ledning 20, men kan også på nytt føres tilbake til kappen 15 gjennom ledningen 18 ved hjelp av pumpen 19. Ved dette arrangement har man mulighet for å regulere kjølevirkningen og derved temperaturen på katoden 12. Ved overtempera-tur på anodene 11 fremkommer automatisk kompensasjon ved en nedsatt kjøling av katoden, da ovnsgassene som fungerer som kjølemedium, da har høyere temperatur. Det oppnås på denne måte at forbruket av elektrisk energi for smelteelektrolysen holdes temmelig konstant ved et gitt pro-duksj onsnivå. and the jacket 15 is appropriately thermally insulated against the surroundings. By means of the pump 17, the furnace gases are sucked out of the furnace through the line 14 and made to pass through the jacket 15 for heat exchange with the cathode 12, which is thereby cooled. The furnace gases, which are now further heated, are transferred with the help of the pump 17 to a line 20, but can also be led back to the jacket 15 through the line 18 with the help of the pump 19. With this arrangement, you have the option of regulating the cooling effect and thereby the temperature of the cathode 12. In the event of over-temperature on the anodes 11, automatic compensation results from a reduced cooling of the cathode, as the furnace gases which act as cooling medium then have a higher temperature. It is achieved in this way that the consumption of electrical energy for the melt electrolysis is kept fairly constant at a given production level.

Ledningen 20 er forbundet med en beholder 21, hvori det i en viss avstand fra beholderens nedre ende innvendig i. beholderen er anordnet en gjennomhullet bunn 2 2 for å under-støtte et leie 23 av aluminiumoksyd. Dette leie kan fylles i beholderen gjennom en påfyllingsåpning 24. På oversiden av den perforerte bunn 22 er det inne i beholderen anordnet en varmesløyfe 25 for gjennomstrømning av et ytre medium, mens beholderen oventil er forbundet med en utløpsledning 26 som er ført frem til en støvutskiller 27, som kan være av cyklon-type og nedentil har et utløp 28 for uttak av ut-skilte faste partikler. En rengjøringsinnretning 29 er anordnet på undersiden av den perforerte bunn 22 samt koblet til en elektrisk drivmotor 30. The line 20 is connected to a container 21, in which, at a certain distance from the lower end of the container, a perforated bottom 22 is arranged inside the container to support a bed 23 of aluminum oxide. This bed can be filled in the container through a filling opening 24. On the upper side of the perforated bottom 22, a heating loop 25 is arranged inside the container for the flow of an external medium, while the container is connected at the top with an outlet line 26 which is led to a dust separator 27, which can be of the cyclone type and has an outlet 28 at the bottom for the withdrawal of separated solid particles. A cleaning device 29 is arranged on the underside of the perforated bottom 22 and connected to an electric drive motor 30.

De ovnsgasser som kommer inn i beholderen 10 gjennom ledningene 20 og .inneholder en del støv bestående av fluorsalter, passerer gjennom den gjennomhullede bunn 22 inn i leiet 23 av aluminiumoksyd, som derved bringes„.i fluidisert til-stand omkring varmesløyfen 25. Derved oppnås varmeoverfør-ing fra de varme ovnsgasser, som har en temperatur på 200-220°C, til det ytre medium som sirkulerer i varmesløyfen 25, samtidig som nevnte støv slår seg ned på aluminiumoksydet. Når ovensgassene avgis gjennom ledningen 26, følger en del av aluminiumoksydet og vedheftende fluorsalter med ovnsgassene, men disse fraskilles i støvfraskilleren 27 før ovnsgassene, som da er berøvet for en stor del av sitt varme-innhold og befridd for medfølgende støv, slippes ut i atmos-færen. Det material som fraskilles i støvfraskilleren 27 The furnace gases which enter the container 10 through the lines 20 and contain some dust consisting of fluorine salts, pass through the perforated bottom 22 into the bed 23 of aluminum oxide, which is thereby brought into a fluidized state around the heating loop 25. This results in heat transfer from the hot furnace gases, which have a temperature of 200-220°C, to the external medium that circulates in the heating loop 25, at the same time as said dust settles on the aluminum oxide. When the furnace gases are discharged through the line 26, part of the aluminum oxide and adhering fluorine salts accompany the furnace gases, but these are separated in the dust separator 27 before the furnace gases, which are then deprived of a large part of their heat content and freed of accompanying dust, are released into the atmosphere - the fairy. The material that is separated in the dust separator 27

og består av aluminiumoksyd, beriket med fluorsalter, kan tilføres ovnen gjennom tilløpet 13 eller også føre til- and consists of aluminum oxide, enriched with fluorine salts, can be supplied to the furnace through inlet 13 or also lead to

bake til beholderen 20 gjennom påfyllingsåpningen 24. bake to the container 20 through the filling opening 24.

Den varme som trekkes ut av ovnsgassene ved hjelp av det ytre medium som strømmer gjennom varmesløyfen 25, kan ut-nyttes på forskjellige måter, f.eks. i et fjernvarmenett som varmen overføres til enten over varmevekslere eller varmepumper, til avsalting av sjøvann eller annet salt- holdig vann for fremstilling av ferskvann til industrielt bruk, f.eks. for fremstilling av elektrisk kraft, enten ved hjelp av vanlige vanndampcykler eller i to-media-cykler, f.eks. ved anvendelse av freon, eller eventuelt for frembringelse av varme og/eller kulde i absorpsjons-varmepumper. En kombinasjon av to eller flere av disse anvendelsesområder er også mulig. Ved at varmeutvekslingen mellom ovnsgassene og det ytre medium som strømmer gjennom varmesløyfen 25, finner sted i et fluidisert leie av aluminiumoksyd unngås tilstopning av varmeveksleren og oppnås en mange ganger forbedret varmeoverføring. Ved dette behøves bare en mindre omfattende apparatur for behandling av ovnsgassene, da gjenvinningen av varme og gjenvinningen av fluorsalter kan finne sted i ett og samme apparat av kompakt utførelse. The heat extracted from the furnace gases by means of the external medium flowing through the heating loop 25 can be used in various ways, e.g. in a district heating network to which the heat is transferred either via heat exchangers or heat pumps, for desalination of seawater or other salty water for the production of fresh water for industrial use, e.g. for the production of electrical power, either by means of ordinary steam cycles or in two-media cycles, e.g. when using freon, or possibly for the production of heat and/or cold in absorption heat pumps. A combination of two or more of these areas of application is also possible. By the fact that the heat exchange between the furnace gases and the external medium flowing through the heating loop 25 takes place in a fluidized bed of aluminum oxide, clogging of the heat exchanger is avoided and a many times improved heat transfer is achieved. In this case, only a less extensive apparatus is needed for treating the furnace gases, as the recovery of heat and the recovery of fluorine salts can take place in one and the same apparatus of compact design.

Ved at ovnsgassene bringes til å oppta en varmemengde By causing the furnace gases to absorb a quantity of heat

som er tilpasset til elektrolyseprosessen fra katoden 12, forhøyes ovnsgassenes temperatur, således at ovnsgassene dermed opptar alle tap i konsentrert form. Frem-gangsmåten i henhold til oppfinnelsen innebærer en ves-entlig forenkling av varmegjenvinningen fra katoden, da allerede eksisterende gassoppsamlingsystemer og en felles varmeveksler for ovnsgasser og katodekjøling kan anvendes. which is adapted to the electrolysis process from the cathode 12, the temperature of the furnace gases is increased, so that the furnace gases thus absorb all losses in concentrated form. The method according to the invention entails a substantial simplification of the heat recovery from the cathode, as already existing gas collection systems and a common heat exchanger for furnace gases and cathode cooling can be used.

Flere smelteelektrolyseovner kan være tilsluttet et og samme apparat 21, som således vil være felles for samt-lige ovner. Several melting electrolysis furnaces can be connected to one and the same device 21, which will thus be common to all furnaces.

Claims

1. Process for recovering heat from a furnace for the production of aluminum by molten electrolysis of aluminum oxide, the furnace gases being caused to pass through a bed of aluminum oxide at the same time as they fluidize this bed, characterized in that the bed of aluminum oxide is fluidized around one or more tube loops (25) for heat exchange between the furnace gases and an external medium which passes through said one or more tube loops.

2. Method as stated in claim 1, characterized in that the furnace gases, after they have passed the fluidized bed (23) of aluminum oxide, are freed from entrained solid particles, which are recovered.

3. Method as stated in claim 2, characterized in that the recovered solid particles are added to the furnace.

4. Method as set forth in claim 1, characterized in that the furnace gases are brought to pass the cathode (12) in the furnace for heat exchange with this by cooling the cathode, before the furnace gases are supplied to said bed (23).

5. Method as stated in claim 4, characterized in that the furnace gases after passing the cathode (12) are partially returned to pass the cathode again.