Очистка отходящих газов

Чертеж

В дальнейшем изобретение  поясняется более детально с помощью  предпочтительных вариантов воплощений, со ссылками на сопроводительный чертеж.

Описание чертежа

В способе Холла-Херольда алюминий получают восстановлением оксида алюминия, который растворен (расплавлен) в расплаве фторсодержащих веществ с помощью электролиза в электровосстановительной печи 1. Электролиз происходит при температуре приблизительно 960oC. Расплав частично разлагается в течение процесса, и летучие компоненты остаются в газообразном состоянии. В результате газ, выделяемый из процесса, содержит соединения фтора, такие как фтористый водород (HF), и фторсодержащую пыль. Будучи чрезвычайно вредными для окружающей среды, эти вещества должны отделяться от газов процесса перед тем, как они могут выделиться в окружающую атмосферу. В то же время, однако, эти фторсодержащие вещества представляют собой значительные потери стоимости. Независимо от фторсодержащих соединений присутствуют определенные продукты горения, такие как диоксид серы от графитовых анодов, которые сгорают в течение процесса. Диоксид серы должен быть удален из адсорбента не только для того, чтобы избежать его возвращения в процесс, но также потому, что для окружающей среды требуется уменьшить выброс диоксида серы из процесса без воздвижения огромных и дорогих установок для очистки больших количеств газа, имеющего низкое содержание диоксида серы.

Когда изобретение применяется  для очистки газа 2, выделенного  из процесса 1 для производства алюминия, фторсодержащие вещества отделяются от газа в противоточном адсорбционном  процессе, содержащем по меньшей мере две стадии 3, 4 сухой адсорбции. Газ, загрязненный фторсодержащими веществами, очищается в первой стадии 3 сухой адсорбции, которая показана на чертеже как реактор контактирования 3. В этом реакторе контактирования 3 газ перемешивается и приходит в контакт с частично отработанными частицами адсорбента в виде оксида алюминия, который подается с током газа в реактор контактирования 3, причем содержание фторсодержащих веществ в газе процесса уменьшается. Адсорбция диоксида серы в процессе очистки в первой стадии 3 адсорбции, когда содержание фторсодержащих веществ в газе является наивысшим, подавляется, поскольку такие вещества как фтористый водород имеют значительно большее сродство к оксиду алюминия, чем к диоксиду серы. В этой первой стадии адсорбции диоксид серы, таким образом, только адсорбируется на избыточной поверхности оксида алюминия, которая не покрыта, к примеру, фтористым водородом. Если оксид алюминия, на который диоксид серы адсорбировался, приходит в достаточно интенсивный контакт с газом, содержащим фтористый водород, диоксид серы будет освобожден и заменен фтористым водородом. После очистки в первой стадии 3 адсорбции оксид алюминия в виде частиц отделяется от газа перед второй стадией, теперь имея очень низкое содержание фтористого водорода, перемещается ко второй стадии 4 сухой адсорбции для очистки там. Оксид алюминия в виде частиц, который имеет высокое содержание адсорбированных фторсодержащих веществ, таких как фтористый водород, отделяется от газа вместе с основной частью частиц соединений фтора ниже по течению потока от первой стадии 3 адсорбции с помощью известных устройств для механического разделения, таких как циклонные сепараторы. Некоторое количество оксида алюминия 33, которое соответствует количеству неотработанного оксида алюминия, подаваемого ко второй стадии 4 адсорбции адсорбционного процесса и которое загрязнено адсорбированными фторсодержащими веществами, возвращается (по 33) к процессу 1, в то время как остаток оксида алюминия циркулирует (по 32) в первой стадии 3 адсорбции. Из-за достаточной циркуляции и благодаря различию в сродстве оксида алюминия к соответственно фтористому водороду и диоксиду серы следует, что основная часть фторсодержащих веществ в газе адсорбируется даже при первой стадии 3 адсорбции, тогда как не происходит существенной адсорбции диоксида серы. Вместо этого основное количество диоксида серы 1, адсорбированное на оксиде алюминия, десорбируется. В результате в сущности весь диоксид серы будет сопровождать газ так, что фторсодержащие вещества, необходимые для процесса 1, могут быть возвращены с хорошим выходом по 33, в то же время избегая циркулирования и концентрирования диоксида серы в процессе. Также вторая стадия 4 адсорбции проводится в одном или более реакторах 4 контактирования, расположенных ниже по течению потока от первой стадии 3 адсорбции. Из первой стадии 3 адсорбции и следующего за ней сепаратора 31 газ перемещается по 30 к реактору 4 контактирования, где он перемешивается и приводится в контакт со свежим химически активным и, в сущности, неотработанным оксидом алюминия. В реакторе 4 контактирования любой остающийся газообразный фтор, также как и диоксид серы, адсорбируется в количестве, зависящем от степени, с которой адсорбционная способность свежего адсорбента (оксида алюминия) позволяет адсорбироваться газу с низким сродством. После очистки на второй стадии 4 адсорбции адсорбент отделяется от газа с помощью фильтра 41, такого как мешочный фильтр, вследствие чего газ, который эффективно очищен от всех фторсодержащих веществ, может выделяться в окружающую атмосферу по 5, тогда как оксид алюминия, загрязненный значительным количеством диоксида серы, адсорбированного во второй стадии 4 адсорбции, в соответствии с изобретением перемещается к первой стадии 3 адсорбции. Посредством подходящей циркуляции оксида алюминия 32 в адсорбционной стадии 3 значительное количество диоксида серы, адсорбированного на оксиде алюминия при контактировании с газом процесса, имеющим высокое содержание фтористого водорода, будет десорбироваться в адсорбционной стадии 3. Освобожденный диоксид серы затем перемещается вместе с газом процесса ко второй стадии 4 адсорбции. Благодаря десорбции диоксида серы происходит увеличение активированной поверхности на оксиде алюминия, что способствует адсорбции фтористого водорода, приводя к высокоэффективной адсорбции фтористого водорода так, что достигается очень высокая степень адсорбции газообразного фтора на первой стадии 3 адсорбции.

Посредством оксида алюминия 33, который перемещается к восстановительному процессу 1 от первой стадии 3 адсорбции, почти все фторсодержащие вещества, выделенные из восстановительного процесса 1 к газу 2 процесса, возвращаются в  восстановительный процесс 1. Однако по существу никакого количества диоксида серы не возвращается в восстановительный  процесс 1 вместе с оксидом алюминия 33, перемещенным из первой стадии 3 адсорбции  к восстановительному процессу 1.

Благодаря тому факту, что  диоксид серы десорбируется в первой стадии, частично очищенный газ 30 процесса, перемещенный ко второй стадии 4 адсорбции, будет иметь повышенное содержание диоксида серы, которое в некоторой степени уменьшается во второй стадии 4 адсорбции. При устойчивом состоянии устанавливается состояние равновесия, что касается циркуляции концентрированного диоксида серы между двумя стадиями 3 и 4 адсорбции, причем количество диоксида серы, выделяемого вместе с очищенным газом 5 процесса, равно количеству диоксида серы, поданного вместе с еще неочищенным газом процесса.

В одном воплощении изобретения  также количество диоксида серы, выделенного  в окружающую атмосферу вместе с  очищенным газом 5 процесса, уменьшается  посредством очистки загрязненного  диоксидом серы оксида алюминия из второй стадии 7 адсорбции в стадии 8 десорбции. В этой стадии 8 десорбции в сущности весь адсорбированный диоксид серы десорбируется нагреванием и смешиванием со сквозным потоком газа-носителя 81. Так как газ-носитель 82, покидающий стадию 8 десорбции, будет затем иметь высокую концентрацию диоксида серы, то почти весь диоксид серы выделится из оксида алюминия посредством десорбции.

Благодаря низкому сродству диоксида серы к оксиду алюминия, оксид  алюминия имеет вполне ограниченную способность к адсорбции диоксида серы. Таким образом получается, что даже при таком низком содержании газообразного фторида в газе 30 процесса, перемещенного ко второй стадии 4 адсорбции, который имеет в сущности незначительное влияние на адсорбцию диоксида серы в течение стадии 4 адсорбции, наблюдается плохое отделение диоксида серы от газа процесса, если качество адсорбента низкое и/или если содержание диоксида серы в газе процесса, подаваемом к этой второй стадии 4 адсорбции, является высоким. В одном воплощении изобретения способность к отделению диоксида серы поднимается до заданного уровня посредством циркулирования (по 83) части оксида алюминия, очищенного в стадии 8 десорбции, ко второй стадии 4 адсорбции, где он способствует повышению количества активированного адсорбента. Количество оксида алюминия, очищенного в стадии 8 десорбции, будет, таким образом, увеличиваться пропорционально количеству оксида алюминия, возвращенного по 83 из стадии 8 десорбции к второй стадии 4 адсорбции.

В стадии 8 десорбции диоксид  серы десорбируется благодаря эффекту нагревания и сквозному потоку газа-носителя 81, захватывающему диоксид серы с собой по своему пути из системы. Если десорбционная очистка в стадии 8 точно выполнена, требуется только малое количество газа-носителя 81, в то же время получается высокая концентрация диоксида серы в газе-носителе 82, покидающем стадию десорбции. Диоксид серы в газе-носителе при разумной стоимости может быть очищен промывкой или преобразован в коммерческий продукт, такой как жидкий диоксид серы, серная кислота или сера применением хорошо известных процессов, так как существует только небольшое количество включенного газа-носителя 82, по этой причине оборудование для очистки может быть маленького размера. Легкий нагрев оксида алюминия, требуемый для десорбции диоксида серы в стадии 8 десорбции, не приводит к десорбции небольшого количества фтористого водорода, который адсорбирован во второй стадии 4 адсорбции. После стадии 8 десорбции оксид алюминия подводится к первой стадии 3 адсорбции, как описано выше.

После прохождения таким образом двухстадийного процесса 3, 4 адсорбции противотоком к газу и адсорбированием по существу всего фтористого водорода и других фторсодержащих веществ из газа, оксид алюминия подается к процессу 1 для получения алюминия. Содержание диоксида серы в оксиде алюминия является очень низким и сильно ограничено по отношению к количеству, которое адсорбировано и должно остаться во время очистки в первой стадии 3 адсорбции.

Некоторые другие вещества, такие как фосфор, которые захватываются  газом из процесса 1 получения алюминия и которые снижают выход по току в электролитическом процессе, оказывают неблагоприятное воздействие  на процесс и следовательно должны быть удалены. Фосфор в виде частиц фосфорного ангидрида удаляется из газа процесса стадией 41 заключительной фильтрации и может таким образом концентрироваться в системе, включающей электролизную печь и оборудование для газоочистки. Обнаружено, что очистка для уменьшения диоксида серы 8 также удаляет некоторое количество фосфора, таким образом уменьшая накопление его в системе.

Поскольку, в соответствии с заявленным способом, адсорбент  в виде частиц (оксид алюминия) проходит две стадии 3, 4 процесса адсорбции  противотоком к газу, несмотря на то, что газ и адсорбент совместно  подаются с течением в стадиях 3, 4 адсорбции, адсорбент эффективно расходуется, и в сущности весь фтористый водород  отделяется в первой стадии 3 адсорбции  и возвращается вместе с адсорбентом  к процессу 1 получения алюминия, в то время как диоксид серы отделяется во второй стадии 4 адсорбции  и удаляется от адсорбента в стадии 8 десорбции. Отделение диоксида серы может быть управляемо до заданной эффективности посредством циркуляции по 83 адсорбента из стадии 8 десорбции  ко второй стадии 4 адсорбции. Этот двухстадийный процесс приводит к рециркулированию с высоким выходом фторсодержащих веществ, которые требуется рециркулировать из процесса, в то время как диоксид серы может быть отделен сам по себе или может быть нейтрализован в щелочном скруббере или регенерацией в виде коммерчески полезных продуктов. Поскольку способ в соответствии с изобретением в этой простейшей форме уменьшает возвращение и накопление диоксида серы, и в этом более тщательно разработанном виде также уменьшается возвращение и накопление таких загрязняющих веществ как фосфор в процессе получения алюминия, достигается повышение эффективности в электролитическом процессе получения алюминия, поскольку иначе этот процесс будет неблагоприятно подвержен увеличению содержания этих веществ. Поскольку сера может быть отделена в одном воплощении изобретения, неблагоприятное воздействие на окружающую среду получения алюминия в целом может быть улучшено.

Формула изобретения:  1. Способ отделения при очистке газа, выделенного из процесса получения алюминия, фторсодержащих веществ от газа посредством адсорбции на твердом оксиде алюминия в виде частиц в процессе сухой адсорбции, при котором оксид алюминия проходит противотоком к газу и в виде частиц с адсорбированными фторсодержащими веществами отделяют от газа, при этом часть отделенного оксида алюминия в виде частиц с адсорбированными фторсодержащими веществами удаляют из процесса адсорбции для возвращения фторсодержащих веществ в процесс получения алюминия, а остаток отделенного оксида алюминия возвращают на адсорбцию, отличающийся тем, что газ очищают с оксидом алюминия, по меньшей мере, в две стадии, на первой из которых газ очищают с оксидом алюминия, который частично отработан, при этом частицы оксида алюминия с адсорбированными фторсодержащими веществами отделяют от газа ниже по течению потока от указанной первой стадии адсорбции перед тем, как газ перемещают ко второй стадии адсорбции, возврат остатка отделенного оксида алюминия осуществляют на первую стадию адсорбции, а после отделения оксида алюминия газ подают ко второй стадии сухой адсорбции и там очищают в сущности неотработанным химическим активным оксидом алюминия в виде частиц, после чего оксид алюминия в виде частиц отделяют от газа ниже по течению потока от второй стадии сухой адсорбции перед тем, как газ выделяют в окружающую атмосферу, и, по меньшей мере, часть оксида алюминия, отделенную ниже по течению потока от второй стадии адсорбции, перемещают к первой стадии адсорбции.

2. Способ по п. 1, отличающийся  тем, что частично отработанный  оксид алюминия возвращают в  первую стадию адсорбции и  количество возвращенного оксида  алюминия управляется и таким  образом контролируется, чтобы оптимизировать  адсорбцию фторсодержащих веществ  и десорбцию диоксида серы  в первой стадии адсорбции.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что оксид  алюминия, который отделяют ниже  по течению потока от второй  стадии адсорбции и загрязнен  адсорбированным диоксидом серы, очищают на стадии десорбции,  где оксид алюминия нагревают  и газ-носитель течет через  него, для того, чтобы таким образом  десорбировать значительное количество диоксида серы, адсорбированного на оксиде алюминия.

4. Способ по п.3, отличающийся  тем, что часть оксида алюминия, очищенного в стадии десорбции,  возвращают ко второй стадии  адсорбции для того, чтобы увеличить  адсорбционную способность на  этой стадии.

5. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что водяной  пар, газообразный азот или  другой неокисляющий газ течет  через оксид алюминия в стадии  десорбции.

Белоусов В.В. Теоретические  основы процессов газоочистки