система охлаждения и очистки дымового газа

Формула изобретения

1. Газоохладитель (10) для обработки горячего необработанного дымового газа (G) из алюминиевых электролизеров при выплавке алюминия, содержащий напорные газовпускную (14) и газовыпускную (16) камеры и пучок из расположенных на расстоянии друг от друга взаимно параллельных газоохладительных труб (18), причем каждая охладительная труба имеет впускной конец (19) в газовпускной камере и выпускной конец (21) в газовыпускной камере, отличающийся тем, что впускные концы (19) газоохладительных труб имеют колоколообразную форму и аэродинамически изогнутый профиль для ускорения газа и для обеспечения ламинарного потока горячего необработанного дымового газа в трубы (18).

2. Газоохладитель по п.1, в котором газовпускная камера (14) имеет рассеивающий впуск (15) для принятия горячего необработанного дымового газа (G) для замедления и стабилизации потока газа через газовпускную камеру, что способствует равномерному течению во впускные концы (19) газоохладительных труб (18).

3. Газоохладитель по п.2, в котором рассеивающий впуск (15) газовпускной камеры (14) замедляет горячий дымовой газ во газовпускной камере до относительно низкой скорости в диапазоне приблизительно 8-12 м/с.

4. Газоохладитель по любому из пп.1-3, в котором впускные концы (19) газоохладительных труб (18) ускоряют дымовой газ до скорости в диапазоне приблизительно 20-30 м/с.

5. Газоохладитель по п.1, в котором впускные (19) и выпускные (21) концы охладительных труб (18) выступают в газовпускные и газовыпускные напорные камеры соответственно.

6. Газоохладитель по п.1, который имеет оболочку для хладагента вокруг охладительных труб, причем оболочка для хладагента снабжена входным и выходным каналами для хладагента.

7. Газоохладитель по п.1, который имеет оболочку для хладагента вокруг охладительных труб, формирующую часть наружного кожуха газоохладителя, причем оболочка для хладагента снабжена входным и выходным каналами для хладагента.

8. Газоохладитель по п.6 или 7, в котором направление течения хладагента через оболочку для хладагента противоположно направлению потока газа через трубы.

9. Газоохладитель по п.6 или 7, в котором газовпускные и газовыпускные напорные камеры являются съемными с оболочки для хладагента.

10. Способ охлаждения и очистки горячего необработанного дымового газа (G) из алюминиевых электролизеров при выплавке алюминия с установкой (4) сухой очистки дымового газа, отличающийся тем, что он включает стадии, на которых

пропускают горячий необработанный дымовой газ (G) при начальной температуре, превышающей температуру, допустимую для установки (4) очистки дымового газа, через множество газоохладителей (10), размещенных для принятия необработанного дымового газа параллельно друг другу, причем газоохладители содержат множество охладительных труб (18), выполненных с возможностью принятия и пропускания через себя необработанного дымового газа в ламинарном потоке,

обеспечивают протекание хладагента (22) снаружи охладительных труб для охлаждения необработанного дымового газа путем переноса теплоты дымового газа к хладагенту, тем самым охлаждая дымовой газ до температуры, приемлемой для установки (4) очистки дымового газа, и

пропускают охлажденный необработанный дымовой газ в установку очистки дымового газа.

11. Способ по п.10, в котором охладители дымового газа принимают необработанные дымовые газы при температуре в диапазоне 120-250°С и подают их в установку очистки дымового газа при температуре в диапазоне 60-120°С.

12. Способ по п.10 или 11, в котором для обеспечения равномерного течения в газоохладительных трубах необработанный дымовой газ сначала замедляют и стабилизируют с помощью процесса рассеяния его потока.

13. Способ по п.12, в котором процесс рассеяния потока дымового газа замедляет течение газа в газоохладительных трубах до относительно низкой скорости в диапазоне около 8-12 м/с.

14. Способ по п.12, в котором при входе в газоохладительные трубы дымовой газ подвергают ускорению потока для установления ламинарного течения через них.

15. Способ по п.14, в котором ускоряют течение потока газа до скорости в диапазоне около 20-30 м/с.

16. Способ по п.10, в котором из хладагента извлекают тепловую энергию с помощью теплообменного устройства и используют для повышения эффективности последующей установки, соединенной с теплообменным устройством.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к усовершенствованному охладителю газа для охлаждения дымового газа из плавильных печей для алюминия. Изобретение также относится к усовершенствованной системе охлаждения и очистки дымового газа для предприятия по выплавке алюминия и к системе рекуперации тепловой энергии из дымового газа.

Уровень техники

Плавильные печи для алюминия, включающие многочисленные алюминиевые электролизеры (на профессиональном жаргоне называемые «тиглями»), выделяют большие количества горячего дымового газа, содержащего фтороводород, другие газы, дисперсные частицы и продукты возгонки (сублиматы). Например, плавильная печь для алюминия, производящая 300000 тонн в год металлического алюминия, может включать около 400 электролизеров, расположенных в четыре ряда. Такая линия из тиглей производит около 3600000 нормальных кубических метров (приведенных к нормальным условиям) в час (Nm³/h, н-м³/час) дымового газа. Необработанный дымовой газ должен быть очищен хорошо известным способом очистки газа, таким как так называемый способ «сухой очистки». Установка для очистки газа, в которой используется этот способ, производится фирмой ALSTOM Power Environment Control Systems, Драмменсвейен 165, 0277 Осло, Норвегия (телефон +47 22 12 70 00).

Тенденция технического развития промышленности по производству алюминия направлена на электролизеры типа колпаковых печей с предварительно обожженными анодными блоками. Такие печи являются более крупногабаритными и потребляют больше энергии, что ведет к повышению температур дымового газа. В отличие от предыдущего уровня 70-90°С температура дымового газа, выходящего из большинства современных электролизных линий, теперь варьирует в диапазоне 120-180°С или даже выше. К сожалению, такие температуры дымового газа превышают допустимые уровни температур для газоочистной установки, использующей способ сухой очистки, в отношении как условий процесса, так и оборудования. Следовательно, необработанный дымовой газ, содержащий пыль и загрязняющие примеси, должен быть охлажден перед его поступлением в очистную установку.

Известен способ охлаждения горячего необработанного дымового газа, произведенного алюминиевыми электролизерами, примешиванием холодного атмосферного воздуха в трубопроводы для дымового газа выше по потоку относительно газоочистной установки. Смешение газа с воздухом производится легко и с малыми затратами, но когда температуры газа достигают или превышают 150°С, становится весьма значительным объем атмосферного воздуха, необходимый для обеспечения надлежащего охлаждения, и тем самым происходит возрастание объема охлажденного газа. Следствием этого является соответствующее увеличение габаритов газоочистной установки, расположенных ниже по потоку вентиляторов, которые протягивают газ через очистную установку, и энергопотребления установки. Это негативно сказывается на экономических показателях установки как во время ее сооружения, так и в ходе ее эксплуатации.

Известен также способ охлаждения дымового газа из алюминиевых электролизеров путем испарения с использованием прямого впрыскивания распыленной воды. Хотя эта система сокращает общий объем дымового газа, нужно учитывать также объем возникающего при этом водяного пара. Непосредственные затраты на такую систему охлаждения являются умеренными, но для нее требуются большие количества сжатого воздуха для распыления впрыскиваемой воды, так что оказывается высоким потребление энергии для сжатия воздуха. Более того, для системы необходимы довольно большие количества свежей очищенной охлаждающей воды, что является экономически и экологически неприемлемым в областях, где свежая чистая вода представляет собой ценный ресурс. В дополнение, если в последующей газоочистной установке употребляются мешочные фильтры, высокая влажность охлажденного дымового газа может вызвать гидролиз мешочных фильтров стандартного полиэфирного типа, делая необходимым применение более химически инертного и в весьма значительной степени более дорогостоящего материала для мешочных фильтров.

На некоторых существующих предприятиях по выплавке алюминия известен способ рекуперации тепла из дымового газа после очистки такового путем пропускания его через теплообменники для получения теплой воды для целей отопления. До настоящего времени такая рекуперация тепла была возможной только после того, как газ был очищен, поскольку в противном случае пыль, сублиматы и прочие примеси в необработанном дымовом газе имели склонность к осаждению в виде твердой окалины на поверхностях теплообменников, приводя к закупориванию и снижению теплопередачи в теплообменнике. Более того, в настоящее время строительство новых или более крупных мощностей по производству алюминия главным образом сосредоточено в тропических и субтропических странах, в которых энергетические потребности для целей отопления низки или несущественны, и скорее есть повышенная потребность в энергии для целей охлаждения.

Известно применение охладителя газа газотрубного типа для охлаждения горячих дымовых газов из печей для выплавки стали, ферросилиция и металлического кремния. В таких охладителях дымовой газ - который поступает из печи в охладитель через дымоход - протекает через пучок параллельных труб, по наружной поверхности каковых труб протекает хладагент. Копоть и дисперсные частицы в этих газах имеют тенденцию к формированию изолирующих слоев из пыли на стенках охладительных труб, чем сокращают теплопередачу в охладителях. Пылевой слой этого типа может быть выдут до приемлемой толщины и может быть почти полностью удален при поддержании высокой скорости протекания газа вдоль труб, тем самым сохраняя приемлемый уровень теплопередачи в охладителях.

Копоть и дисперсные частицы в дымовом газе из алюминиевых электролизеров, в отличие от дымовых и дисперсных частиц в вышеупомянутых печных отходящих газах, проявляют сильную склонность к формированию твердых как камень отложений окалины, сталкиваясь с поверхностями в зонах турбулентного течения газа и поверхностями, которые расположены поперек газового потока. Эти отложения окалины являются слишком твердыми и плотными, чтобы их можно было выдуть и удалить при любой эксплуатационной скорости течения газа в трубах или других частях газотранспортной системы. Кроме оказания изолирующего действия в установке охлаждения газа, такие отложения окалины склонны к продолжению роста на подверженных их воздействию поверхностях и в зонах турбулентности, вплоть до полного закупоривания охладителя.

Поэтому будет понятно, что вышеупомянутый газотрубный тип охладителя газа в форме, употребляемой для охлаждения горячих дымовых газов из печей для выплавки металлов, непригоден для применения в очистке дымового газа из электролизеров для производства алюминия.

Сущность изобретения

Согласно одному аспекту настоящего изобретения газоохладитель, способный обрабатывать горячий, необработанный дымовой газ из алюминиевых электролизеров на предприятии для выплавки алюминия, включает:

(а) газовпускную камеру;

(b) газовыпускную камеру; и

(с) множество газоохладительных труб, с каждой из охладительных труб, имеющей впускной конец во впускной камере и выпускной конец в выпускной камере, причем впускные концы имеют колоколообразную форму и включают аэродинамически изогнутый профиль для ускорения газа, эффективный для облегчения ламинарного течения горячего необработанного дымового газа в трубы.

Под термином «необработанный дымовой газ» подразумевается дымовой газ, который выходит необработанным из линии плавильных печей для получения алюминия, содержащим фтороводород, пыль, сублиматы и прочие примеси.

Колоколообразные входные каналы охладительных труб предназначены для равномерного ускорения потока дымового газа в трубы, тем самым в существенной мере предотвращая формирование окалины внутри труб. Другими словами, вышеупомянутая колоколообразная, аэродинамически изогнутая ускорительная зона на впуске каждой охладительной трубы способствует ускорению ламинарного потока и препятствует сжатию потока (эффект vena contracta , «местное сужение потока»). При отсутствии таких профилактических мер турбулентный поток вызывал бы столкновение дымового газа с внутренними поверхностями охладительных труб, приводя к осаждению окалины. Наилучшая оценка авторов настоящего изобретения состоит в том, что увеличенная скорость газа в охладительных трубах согласно предпочтительному варианту осуществления должна быть в диапазоне приблизительно 20-30 м/сек, в зависимости от температуры газа.

Предпочтительно охладительные трубы составляют множество (пучок) из взаимно параллельных, разнесенных друг от друга, труб. Охладительные трубы должны быть равномерно размещены на определенном расстоянии друг от друга в пределах поперечников впускной и выпускной напорных камер, и их впускные и выпускные концы должны выступать во впускную и выпускную напорные камеры соответственно.

Газоохладитель должен включать оболочку или рубашку для хладагента вокруг охладительных труб, причем оболочка оснащена входным и выходным каналами для хладагента. Традиционно оболочка для хладагента формирует часть наружного кожуха газоохладителя. Предпочтительно хладагент представляет собой воду или другую подходящую жидкость. Для максимизации эффективности теплообмена направление течения хладагента через оболочку для хладагента поверх наружных поверхностей труб должно быть противоположным направлению течения газа по трубам.

При работе впускная камера соединена с входным дымоходом, по которому горячий дымовой газ из алюминиевых электролизеров подается к газоохладителю, в то время как выпускная камера соединена с выходным дымоходом, по которому охлажденный дымовой газ выводится наружу из газоохладителя в газоочистную установку.

Впускная камера принимает горячий необработанный дымовой газ через рассеивающую расходящуюся входную часть, которая замедляет поток дымового газа, поступающий из входного трубопровода, до относительно низкой скорости так, что таковой стабилизируется и течет равномерно в пучок колоколообразных впускных концов охладительных труб. Относительные площади поперечного сечения потоков во впускной напорной камере и пучке охладительных труб рационально подбираются таким образом, что рассеивающая часть впускной напорной камеры замедляет горячий дымовой газ до относительно низкой скорости без создания зон турбулентности, которые могли бы вызывать неприемлемое накопление окалины во впускной камере повышенного давления. Наилучшая оценка авторов настоящего изобретения состоит в том, что скорость газа во впускной напорной камере должна варьировать в диапазоне приблизительно 8-12 м/сек, в зависимости от температуры газа. Выпускная напорная камера принимает охлажденный дымовой газ из выпускных концов охладительных труб, постепенно ускоряет его с помощью сходящейся выпускной части и выводит его в дымоход.

Предпочтительно впускная и выпускная напорные камеры являются съемными с части охлаждающей оболочки газоохладителя. Это обеспечивает преимущество в возможности простой разборки и очистки напорных камер и впускных и выпускных частей охладительных труб, если таковые станут необходимыми. Однако нужда в такой очистке сведена к минимуму благодаря вышеупомянутым мерам, предпринятым во избежание турбулентности.

В еще одном аспекте изобретения система охлаждения и очистки дымового газа для предприятия по выплавке алюминия включает по ходу потока:

множество алюминиевых электролизеров, которые при работе образуют горячий необработанный дымовой газ;

по меньшей мере один газоохладитель в форме газотрубного теплообменника, включающий множество охладительных труб, с каждой охладительной трубой, имеющей продольно-протяженную главную ось и скомпонованной для получения и пропускания через таковую дымового газа в ламинарном потоке, векторы скорости которого по существу параллельны главной оси трубы; и

установку очистки дымового газа типа сухой очистки;

причем по меньшей мере один охладитель дымового газа подсоединен для получения горячего необработанного дымового газа из электролизеров и для пропускания охлажденного необработанного дымового газа в установку очистки дымового газа.

Представляется, что охладитель дымового газа будет получать необработанные дымовые газы при температуре в диапазоне 120-250°С и направлять таковые в установку очистки дымового газа при температуре в диапазоне 60-120°С. Последний температурный диапазон пригоден для установки очистки дымового газа типа сухой очистки.

Охлаждение дымового газа перед его поступлением в установку очистки дымового газа является преимущественным, поскольку дымовой газ, выходящий из электролизеров, имеет температуры, которые превышают эксплуатационные характеристики установки сухой очистки. Для достижения необходимого охлаждения дымового газа авторы настоящего изобретения использовали охлаждающую рубашку вокруг охладительных труб охладителя дымового газа в качестве части системы замкнутого контура циркуляции хладагента, которая связывает охладитель дымового газа с теплообменным устройством, которое извлекает тепловую энергию из хладагента и выводит ее в окружающую среду и/или передает на последующую установку. Предпочтительно система замкнутого контура циркуляции хладагента обеспечивает течение хладагента через охлаждающую рубашку в направлении, противоположном течению дымового газа через охладительные трубы. Чаще всего хладагентом в системе замкнутого контура циркуляции хладагента является вода.

Охлаждение горячих необработанных дымовых газов перед тем, как они поступят в установку сухой очистки, будет экологически благоприятным, поскольку такое охлаждение будет улучшать поглотительную способность промывной среды, тем самым улучшая эффективность удаления фтороводорода из дымовых газов и благодаря этому сокращая вредные выбросы. В дополнение, охлаждение дымового газа до проведения процесса очистки газа будет увеличивать срок службы мешочных фильтров, используемых в процессе сухой очистки.

Дополнительное эффективное преимущество может возникать в том, что охлаждение дымовых газов перед поступлением в процесс очистки газа может позволить операторам линии электролизеров повышать силу тока в линии электролиза без вредного воздействия на процесс очистки газа.

Плавильная печь для получения алюминия может иметь большое число электролизеров, и, чтобы справиться с огромным объемным расходом образовавшегося дымового газа, авторы настоящего изобретения предпочли соединить множество охладителей дымового газа параллельно между собой для принятия дымового газа из электролизеров. Например, каждый такой охладитель дымового газа может воспринимать дымовой газ от количества электролизеров, варьирующего между около 50 до около 100.

В дополнительном аспекте изобретение представляет способ охлаждения и очистки необработанного дымового газа из предприятия по выплавке алюминия, оснащенного установкой очистки дымового газа типа сухой очистки, включающий стадии:

(а) пропускания необработанного дымового газа при начальной температуре, превышающей таковую, которая допустима для установки очистки дымового газа, через множество охладителей газа, размещенных для принятия необработанного дымового газа параллельно друг другу, охладителей газа, составляющих пучок из охладительных труб, скомпонованных для принятия и пропускания через таковые необработанного дымового газа в ламинарном потоке;

(b) протекания хладагента снаружи охладительных труб для охлаждения необработанного дымового газа путем переноса теплоты дымового газа к хладагенту, тем самым охлаждая дымовой газ до температуры, приемлемой для установки очистки дымового газа; и

(с) пропускания охлажденного дымового газа к установке очистки дымового газа.

Тепловая энергия может быть извлечена из хладагента с помощью теплообменного устройства и использована для повышения эффективности последующей установки, связанной с теплообменным устройством.

В еще одном дополнительном аспекте изобретения предприятие по выплавке алюминия оснащено системой охлаждения дымового газа, включающей:

по меньшей мере один охладитель дымового газа в форме газотрубного теплообменника, включающего множество охладительных труб, с каждой охладительной трубой, имеющей продольно-протяженную главную ось и скомпонованной для получения и пропускания через таковую необработанного дымового газа в ламинарном потоке, векторы скорости которого по существу параллельны главной оси трубы; и

систему циркуляции хладагента, которая обеспечивает течение хладагента поверх наружной стороны охладительных труб.

Авторы настоящего изобретения предпочитают, что система циркуляции хладагента представляет собой систему замкнутого контура циркуляции хладагента и что теплообменное устройство соединено с охладителями дымового газа через систему замкнутого контура циркуляции хладагента для охлаждения хладагента. Теплообменное устройство может охлаждать хладагент путем отведения теплоты в окружающую среду и/или теплообменом с последующей установкой. Таким образом, теплообменное устройство, в свою очередь, может быть соединено с последующей установкой через дополнительную систему замкнутого контура циркуляции хладагента, и тепловая энергия, извлеченная из хладагента теплообменным устройством, может быть затем использована для повышения эффективности последующей установки. Такая последующая установка может включать по меньшей мере одно из следующего:

электростанцию комбинированного цикла (например, подогреватель для котловой воды);

опреснительную установку;

контур центрального отопления.

Дополнительные аспекты изобретения будут очевидными по прочтении нижеследующего описания и пунктов формул изобретения.

Краткое описание чертежей

Примерные варианты осуществления изобретения теперь будут описаны с привлечением сопроводительных чертежей, в которых:

Фиг. 1 представляет блок-схему части предприятия по выплавке алюминия, скомпонованной в соответствии с изобретением;

Фиг. 2 представляет схематическую диаграмму системы охлаждения дымового газа, использованной в Фиг. 1; и

Фиг. 3 представляет сечение в продольном направлении части охладителя дымового газа согласно Фиг. 2.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

Должно быть понятно, что сопроводительные фигуры иллюстрируют исключительно примерные варианты исполнения изобретения. Каждый признак или параметр системы, показанный на фигурах или описанный ниже, может быть предметом вариаций в ходе детализированного проектирования системы для соответствия потребностям конкретной линии электролизеров для выплавки алюминия.

В фиг. 1 линия 2 электролизеров для выплавки алюминия производит горячий дымовой газ G, содержащий дисперсные частицы и сублиматы. Этот горячий необработанный дымовой газ пропускают через газоохладитель 10, который охлаждает дымовой газ перед его пропусканием через установку 4 очистки дымового газа типа сухой очистки. В газоохладителе 10 теплоту отбирают от горячего необработанного дымового газа G с помощью хладагента 22. Было бы возможным использование воды из окружающей среды в качестве хладагента 22 для непосредственного охлаждения дымового газа G с помощью системы незамкнутого контура циркуляции хладагента. Однако, как показано, предпочтительно охлаждать хладагент 22 путем отведения тепловой энергии от него в теплообменном устройстве 24, которое соединено с газоохладителем 10 через систему замкнутого контура циркуляции хладагента. Теплообменное устройство 24 может затем охлаждать хладагент отведением теплоты в окружающую среду Е, и/или путем теплообмена с последующей установкой 44 через дополнительную систему замкнутого контура циркуляции хладагента, как разъясняется ниже.

Согласно фиг. 2, горячий необработанный дымовой газ собирают из линии плавильных электролизеров с помощью дымохода, включающего, в этом варианте осуществления, четыре основных магистральных газовода 12. При допущении производительности плавильной печи на уровне 300000 тонн алюминия в год, линия электролизеров будет производить около 3600000 нормальных кубометров в час (Nm ³/h, н-м³/ч)) дымового газа G. Каждый трубопровод 12 поэтому будет принимать около 900000 н-м³/ч дымового газа G. Каждый магистральный трубопровод 12 имеет диаметр около 5-6 м и в этом примере показан как имеющий свой собственный охладитель 10 газа. Как разъясняется ниже, каждый газоохладитель включает теплообменник газотрубного типа, который специально приспособлен для взаимодействия с горячим необработанным дымовым газом.

Каждый газоохладитель 10 имеет впускную напорную камеру 14 для замедления и стабилизации потока горячего дымового газа, поступающего из соответствующего магистрального трубопровода 12, и выпускную напорную камеру 16 для выведения охлажденного дымового газа в трубные продолжения 20 магистральных трубопроводов для дымового газа. Впускные напорные камеры 14 имеют диаметр приблизительно 6-7 м, и каждая из них имеет рассеивающую расширяющуюся входную часть 15, которая замедляет поток дымового газа G без существенной турбулентности до относительно низкой скорости около 8-12 м/сек. Выпускные напорные камеры 16 имеют сходящийся сужающийся профиль для увеличения скорости охлажденного дымового газа G в дымоходы 20.

Охлаждение дымового газа G производится в результате переноса теплоты от дымового газа к охлаждающей воде 22 (или другому теплоносителю), циркулирующей в замкнутой контурной системе, которая находится под давлением около 2 бар (0,2 МПа). Насосы (не показаны) прогоняют хладагент в циркуляционном режиме через каналы 23, которые соединяют теплообменное устройство 24 (примеры которого описаны ниже) с оболочкой хладагента или рубашкой 26, которая составляет часть наружного кожуха или корпуса каждого газоохладителя 10. Рубашки 26 хладагента объединены в систему охлаждения параллельно друг другу, причем их впуски 28 и выпуски 30 соединены с «холодными» и «горячими» отводами 32, 34 соответственно системы охлаждения.

В этом варианте осуществления газоохладители 10 снижают температуру дымового газа от около 150°С на своих впусках 14 до около 115°С на своих выпусках 16. При последней температуре дымовой газ охлажден в степени, достаточной для поступления в установку очистки газа ранее упомянутого типа сухой очистки. Между тем температура охлаждающей воды 22 повысилась от около 85°С на ее выпуске из абсорбционной холодильной установки 24 до около 120°С на ее выпуске из охлаждающих рубашек 26.

Как правило, газоохладители 10 будут иметь цилиндрическую форму, причем охлаждающие рубашки 26 имеют такой же диаметр, как впускные и выпускные напорные камеры 14, 16. Часть стенки рубашки 26 хладагента самого верхнего газоохладителя 10 в фиг. 2 показана удаленной для демонстрации пучка газоохладительных труб 18, занимающих внутреннюю часть газоохладителя и соединяющих между собой впускную и выпускную напорные камеры, 14, 16. Внутри каждого газоохладителя 10 может присутствовать гораздо большее число охлаждающих труб 18, чем может быть иллюстрировано в фиг. 2; около 500-900 труб (в зависимости от диаметра трубы) могут быть равномерно распределены на расстоянии друг от друга по всему поперечному сечению охлаждающей рубашки 26 и впускной и выпускной напорных камер 14, 16. Как также обозначено в фиг. 2, для максимизации эффективности теплообмена от дымового газа G с теплоносителем 22 предусмотрена такая компоновка, что общее направление течения хладагента через охлаждающие рубашки 26 является противоположным течению дымового газа G через теплообменные трубы 18.

Для удобства иллюстрирования в фиг. 2 газоохладители 10 показаны так, что их главные продольно-протяженные оси расположены горизонтально. Однако в фиг. 3 газоохладитель 10 ориентирован вертикально, причем это представляет собой предпочтительную ориентацию для газотрубного типа теплообменника. Дымовой газ G входит в охладительные трубы 18 с их верхних концов, тогда как вода или другой хладагент поступает в охлаждающую рубашку 26 с нижнего конца, протекая вверх мимо охладительных труб 18 для их охлаждения, и покидает рубашку на ее верхнем конце. Циркуляции водного хладагента способствует еще и то обстоятельство, что по мере его нагревания при контакте с трубами он становится менее плотным и естественным образом поднимается к верхней части резервуара.

Поскольку охладительные трубы 18 содержат горячий необработанный дымовой газ, поступающий непосредственно из линии электролизеров, их тщательно проектируют с учетом аэродинамических характеристик для регулирования пылевых отложений и окалины из дымового газа до минимальной степени, что поддерживает эффективный теплообмен через стенки охладительных труб 18 к хладагенту, протекающему мимо таковых в охлаждающих рубашках 26. В этом контексте аэродинамическая конструкция является такой, чтобы сохранять линии потоков дымового газа или векторы скорости по существу параллельными стенкам охладительных труб 18, то есть, по существу параллельными их продольным осям.

Как ясно показано в фиг. 3, каждая охладительная труба 18 имеет впускной конец 19, который выступает во впускную напорную камеру 14, и выпускной конец 21, который выступает в выпускную напорную камеру 16. Стенки труб являются прямыми, за исключением их впускных концов 19, каждый из которых включает аэродинамически оформленную колоколообразную сходящуюся часть, предназначенную для равномерного ускорения потока дымового газа G в охладительных трубах 18 от вышеупомянутой скорости на уровне около 8-12 м/сек во впускной напорной камере до около 20-30 м/сек в охладительных трубах. Поддержание ламинарного характера течения в охладительных трубах 18 с одновременным повышением скорости потока позволяет избежать турбулентности и предотвращает образование окалины на их внутренних стенках.

Размеры охладительных труб 18 для достижения оптимальной скорости течения дымового газа будут составлять компромисс между несколькими переменными параметрами, такими как падение давления, эффективность теплообмена, степень загрязнения и общий размер газоохладителя 10. Оптимизация будет достигаться в результате эксплуатационных испытаний. В качестве примера употребляемых размеров, каждая охладительная труба 18 может иметь диаметр около 6,4 метра и длину около 20-30 метров.

Из фиг. 3 будет ясно, что впускные и выпускные напорные камеры 14, 16 являются съемными с части охлаждающей рубашки 26 газоохладителя 10. Это упрощается снабжением частей охлаждающей рубашки 26 концевыми пластинами 28, 30. Концевые пластины 28, 30 не только отделяют находящуюся под давлением часть охлаждающей рубашки 26 от впускной и выпускной напорных камер 14, 16, соответственно, но и оснащены фланцами 31, 32 с болтовыми отверстиями для совмещения с подобными фланцами 33, 34 с болтовыми отверстиями на впускной и выпускной напорных камерах 14, 16. Эта конструкция обеспечивает возможность легкой разборки, технического обслуживания и удаления окалины из напорных камер и впускных и выпускных частей охладительных труб, если это при случае становится необходимым.

Следует отметить, что нет необходимости в выдерживании взаимоотношения «один-к-одному» между магистральными трубопроводами 12 и газоохладителями 10, как показано в фиг. 2. Фактически может оказаться предпочтительным подразделение потока дымового газа от одного магистрального трубопровода 12 на два или более расположенных вертикально газоохладителя 10. Это облегчает управление течением воды через водяные рубашки 26 и сделало бы более регулируемым соблюдение размеров и сложности каждого газоохладителя 10.

Квалифицированный специалист будет принимать во внимание возможную эксплуатацию газоохладителей в диапазонах производственных параметров. Примеры возможных диапазонов и предпочтительные контрольные показатели для вышеописанных вариантов осуществления приведены ниже в Таблице.

ТАБЛИЦА
Параметр	Единица	Диапазон	Контрольное значение
Температура дымового газа на впуске газоохладителя	°C	120-250	150
Температура дымового газа на выпуске газоохладителя	°C	60-120	115
Давление дымового газа на впуске охладительной трубы	Па (Паскалей)	500-2000	1000
Допустимое падение давления вдоль охладительной трубы	Па (Паскалей)	500-1500	1100
Скорость течения дымового газа в охладительных трубах	М/сек	15-35	20-26
Содержание пыли в дымовом газе	мг/н-м3 (приведенных к нормальным условиям кубических метров)	100-3000	500-1000
Температура воды на впуске водяной рубашки	°C	60-120	85
Температура воды на выпуске водяной рубашки	°C	90-150	120
Внутреннее давление воды	Бар (0,1 МПа)	0-4	2

Как иллюстрировано в фиг. 1 и 2, вышеописанные охладители дымового газа преимущественно составляют часть системы для использования тепловой энергии из дымового газа, в которой система замкнутого контура циркуляции хладагента создает циркуляцию хладагента через охладитель дымового газа и теплообменное устройство 24. Тепловая энергия, отведенная от хладагента в теплообменном устройстве 24, может быть использована для повышения эффективности последующей установки, соединенной с теплообменным устройством. Теперь будут изложены примеры такого применения извлеченной тепловой энергии.

ПРИМЕР 1

Как упомянуто ранее, существует тенденция строить новые плавильные печи для производства алюминия в тропических или субтропических областях. В этих областях электрическую энергию для электролизеров производят на электростанциях с газовым отоплением, включающих генераторы с газотурбинным приводом. Типичная газовая турбина, используемая в такой ситуации, представляет собой машину ALSTOM^® GT13 E2M с общей выходной мощностью 180 МВт, работающую по простому циклу.

Ограничивающим фактором для эффективности и выходной мощности газовых турбин простого цикла является температура воздуха на впуске компрессора. В тропических областях их рассчитывают на температуру воздуха на впуске компрессора на уровне +35°С. Вырабатываемая энергия типичного силового блока простого цикла (только газотурбинного) может быть повышена более чем на 10%, если температуру воздуха на впуске компрессора понизить от 35°С до 15°С. Вышеописанный газоохладитель обеспечивает возможность такого охлаждения входного воздуха для силовых блоков, в которых теплота, отведенная из дымового газа с помощью газотрубного теплообменника, может быть использована в качестве источника энергии для промышленной холодильной установки абсорбционного типа, включающей теплообменное устройство 24. Такая промышленная холодильная установка (чиллер) может выдавать охлажденную воду, которая может быть использована для снижения температуры воздуха на впуске компрессора. Следует напомнить, что для ранее приведенных эксплуатационных параметров каждый газоохладитель 10 может охлаждать 900000 н-м³ /час дымового газа от температуры 150°С до температуры 115°С. Это значит, что приблизительно 45 МВт тепловой энергии удаляются из дымового газа абсорбционной холодильной установкой 24, и в иллюстрированной компоновке эта энергия употребляется холодильной установкой для получения приблизительно 1450 м³/час холодной воды 36 с температурой 5°С. Охлажденная вода 36 циркулирует через теплоизолированные трубопроводы 38 к теплообменникам 40 (то есть, батареям охладителей воздуха, которые сами по себе также хорошо известны в отрасли производства электроэнергии), размещенным на водозаборах 42 трех газотурбинных силовых блоков 44. Теплообменники 40 соединены с системой водяного охлаждения параллельно друг другу, причем их впуски 46 и выпуски 48 соединены с «холодными» и «горячими» отводами 50, 52 соответственно системы замкнутого контура циркуляции воды. Вышеупомянутый газотурбинный силовой блок GT13 E2M протягивает 1,548×10 ⁶ н-м³/час воздуха через свою компрессорно-турбинную систему, работая в своем нормальном непрерывном режиме. Стандартные термодинамические расчеты показывают, что этот воздушный поток может быть охлажден от температуры 35°С до 15°С с использованием вышеупомянутого количества охлажденной воды, тем самым повышая эффективность и выходную мощность газовой турбины и, следовательно, силового блока.

Как упомянуто ранее, теплота, отведенная из дымового газа, может быть использована для повышения производительности при получении энергии в силовом блоке с газотурбинным приводом простого цикла на 10% или более. Эта дополнительная мощность может быть употреблена, например, для увеличения производительности плавильной печи для получения алюминия без необходимости вложения средств в дополнительную электростанцию.

Следует отметить, что альтернативно или дополнительно, охлажденную воду, полученную вышеописанным путем, можно было бы использовать для кондиционирования воздуха и охлаждения строений или жилых районов, то есть для целей, которые имеют большое значение в тропических и субтропических областях.

В то время как силовые блоки 44 были описаны выше как работающие по простому циклу в целях иллюстрации, они альтернативно могут включать силовые блоки комбинированного цикла, в которых отбросное тепло из выхлопа газовой турбины используют для получения водяного пара для привода паровой турбины, соединенной с электрическим генератором. Благодаря большему тепловому коэффициенту полезного действия комбинированных циклов относительно простого цикла теплота дымового газа из соединенных плавильных агрегатов для получения алюминия будет - будучи извлеченной и использованной в абсорбционной холодильной установке, как отмечено выше - обеспечивать производительность холодильной установки, которая на 50% превышает потребность компрессора в холодном воздухе в присоединенных силовых блоках комбинированного цикла. Этот избыток производительности холодильной установки опять же может быть использован в последующей установке, такой как кондиционирование воздуха и охлаждение строений или жилых районов.

Вне зависимости от того, употребляются ли силовые блоки простого цикла или комбинированного цикла, авторы настоящего изобретения полагают, что комбинация газотрубного теплообменника 10 с абсорбционной холодильной установкой 24 и охладителями 40 на воздушном впуске газовой турбины будет экономически целесообразной для предприятий по выплавке алюминия в тропических и субтропических областях.

В фиг. 2 холодильная установка 24 использует блок из восьми промышленных холодильных агрегатов абсорбционного типа, таких как одноступенчатые абсорбционные холодильные агрегаты York Millennium^TM YIA-14F3, или эквиваленты таковых от других производителей. В зависимости от требуемой производительности охлаждения и уровней производительности абсорбционных холодильных установок могут быть использованы холодильные агрегаты с числом таковых, меньшим восьми или большим восьми. Для отведения низкотемпературного тепла от воды с температурой 120°С, возвращенной из газоохладителей 10, и из воды с температурой 25°С, возвращенной из теплообменников 40 на воздушном впуске, холодильные установки употребляют огромные объемы воды. Это может быть морская вода, поскольку многие плавильные печи в настоящее время строят вблизи побережья для упрощения бестарной транспортировки бокситовой руды и очищенного алюминия. 8000 м³/час морской воды, подведенные к холодильной установке 24 при температуре 30°С, будут возвращены в море с температурой 40°С, исполнив требуемое охлаждение двух систем замкнутого контура циркуляции охлаждающей воды. В качестве альтернативного пути отведения тепла в окружающую среду, при допущении достаточно низкой температуры атмосферного воздуха, могут быть применены одна или более градирен для охлаждения воды, которая была использована в абсорбционной холодильной установке в качестве хладагента для конденсации рабочей текучей среды. Во избежание потерь воды на испарение, такие градирни могут представлять собой «сухие» градирни, в которых охлаждаемую воду опосредованно подвергают воздействию воздуха, пропускаемого через градирню.

В то время как выше было упомянуто применение одноступенчатых абсорбционных холодильных агрегатов, тем самым не исключается употребление двух- или многоступенчатых абсорбционных холодильных установок. Однако последние два типа, хоть и более эффективные, чем одноступенчатые абсорбционные холодильные машины, требуют подведения более высококачественного тепла, чем одноступенчатые холодильные установки. Качество подводимого тепла, доступного для абсорбционных холодильных агрегатов, главным образом зависит от температуры дымового газа, поскольку это влияет на температуру воды, подаваемой в абсорбционные холодильные установки.

Если же вместо абсорбционной холодильной установки теплообменное устройство 24 просто включает подходящий теплообменник или модуль теплообменников для нагревания рабочей воды, то тепловая энергия, отводимая газоохладителями 10, может быть использована в последующей установке, нуждающейся в подведении тепла, как в нижеследующих примерах.

ПРИМЕР 2

Тепло, отведенное из дымового газа с помощью газоохладителей 10, используют для повышения эффективности электростанции комбинированного цикла с помощью предварительного нагревания котловой воды для паропроизводящей части комбинированного цикла.

ПРИМЕР 3

Тепло, отведенное из дымового газа с помощью газоохладителей 10, используют для предварительного нагревания опресняемой воды в опреснительной установке.

ПРИМЕР 4

Тепло, отведенное из дымового газа с помощью газоохладителей 10, используют для нагревания воды для циркуляции в контуре центрального отопления.

Объем и область настоящего изобретения не должны быть ограничены любым из вышеописанных примерных вариантов осуществления, и модификации могут быть сделаны в пределах рамок изобретения как заявленного. Каждый признак, раскрытый в описании изобретения, в том числе в пунктах формулы изобретения и чертежах, может быть заменен альтернативными признаками, служащими тем же, эквивалентным или подобным целям, если только не двусмысленно не оговорено нечто иное.

Если контекст четко не подразумевает иного, на всем протяжении описания и пунктов формулы изобретения слова «включает», «включающий» и тому подобные должны толковаться в инклюзивном смысле как противоположном исключающему или исчерпывающему смыслу; другими словами, в смысле «включающий, но не ограничивающийся таковым».