28/10/2016 ВУЗы

Иркутские и красноярские ученые разработали теплообменник для алюминиевого производства

389 Инновации Техника Сотрудничество Иркутск Красноярск ​Ученые ИРНИТУ совместно с коллегами из Сибирского федерального университета создали теплообменник, повышающий энергоэффективность алюминиевого производства. 

Работа выполнена совместно в рамках проекта по постановлению Правительства РФ № 218 (кооперация вузов и предприятий высокотехнологичного производства) "Разработка сверхмощной, энергоэффективной технологии получения алюминия РА-550" по заказу ОК РУСАЛ.

Творческую группу иркутских ученых, которая занимается проблемами очистки газов и эффективного использования тепловой энергии, возглавляет начальник центра инновационных технологий Физико-технического института ИРНИТУ Виктор Кондратьев. В разработке теплообменника приняли участие сотрудники центра инновационных технологий, УНЦ "Autodesk" и кафедры СМиЭАТ.

Об актуальности создания кожухотрубчатого теплообменного аппарата для утилизации тепла технологических газов алюминиевого электролизера рассказал ведущий научный сотрудник центра инновационных Физико-технического института ИРНИТУ Иван Сысоев.

"В настоящее время технология электролиза алюминия непрерывно совершенствуется в сторону увеличения единичной мощности электролизеров. Ведущие алюминиевые компании мира стремятся к эксплуатации мощных электролизеров с обожженными анодами, работающих на силе тока свыше 300 кА, так как их применение позволяет повысить экологическую и экономическую эффективность новых заводов. Для стабильной технологии электролиза при увеличении силы тока требуется эффективный отвод тепла от элементов конструкции, в т.ч. с отходящими технологическими газами. Целесообразность охлаждения электролизных газов перед очисткой обусловлена стремлением снизить физические объемы очищаемых газов, что в свою очередь уменьшит затраты на эксплуатацию газоочистных установок", — сообщил И. Сысоев.

Разработчики теплообменника отмечают, что при снижении температуры очищаемых газов происходит повышение эффективности работы газоочистных установок, вследствие интенсивной десорбции глиноземом уловленного фтористого водорода (HF). Кроме того, снижение температуры технологических газов благоприятным образом влияет на работоспособность и долговечность газоочистного оборудования.

В ходе работы над проектом, сотрудники ИРНИТУ создали математическую модель в пакете прикладной программы ANSYS и провели испытания для оптимизации конструкции экспериментального кожухотрубчатого теплообменного аппарата.

"На основе результатов виртуального моделирования и оптимизации конструкции был создан экспериментальный теплообменник, который в дальнейшем планируется испытать в промышленных условиях при различных режимах эксплуатации. В дальнейшем извлеченное тепло будет направлено на повышение энергоэффективности производства путем использования тепловой энергии для предварительного подогрева анодов и глинозема. Применение аккумулированной тепловой энергии позволит увеличить технико-экономические показатели заводов по производству алюминия, снизить капитальные затраты при эксплуатации и проектировании газоочистных систем и рационально решить проблему утилизации технологических газов", — подчеркнул И. Сысоев.

Он пояснил, что при разработке и проектировании теплообменного устройства авторы провели анализ использования различных подходов к технологии охлаждения технологических газов с точки зрения эффективности относительно инвестиционных и эксплуатационных затрат.

В настоящее время предлагаются различные подходы к решению проблемы охлаждения технологических газов: добавление разбавленного воздуха в газоходы посредством регулируемых заслонок; распыление воды в газовом потоке, перед входом в газоочистные сооружения; использование стержневого охладителя; применение дополнительных ребер охлаждения. Но самым эффективным решением точки зрения обеспечения энергоэффективности процесса утилизации тепла является применение теплообменных аппаратов.

Что касается их конструктивного исполнения, то теплообменники разделяются два типа. Один представляет собой "пожарную трубу", где газы циркулируют по трубопроводу внутри трубы большего диаметра заполненной охлаждающей жидкостью. Другой является так называемым "кожухотрубчатым", здесь происходит циркуляция жидкости внутри труб малого диаметра, установленных перпендикулярно потоку горячих газов. По мнению авторов разработки, именно кожухотрубчатый дизайн является гораздо более компактным и эффективным с точки зрения теплопередачи и менее дорогостоящим, для построения (нет необходимости в жестком корпусе из-за давления воды). Для повышения эффективности процесса теплообмена за основу был взят способ охлаждения газов водой через медную стенку. В этом случае потребная поверхность теплообмена значительно ниже, в сравнении со стальной, вследствие того, что медь обладает более высокой теплопроводностью.

В дальнейшем планируется проведение опытно-промышленных испытаний теплообменного аппарата при различных режимах эксплуатации в условиях действующего производства. Инновационные технические решения ученых ИРНИТУ станут основой для создания опытного участка по очистке газов и использованию тепловой энергии на Саяногорском алюминиевом заводе (Республика Хакасия).

Ранее сообщалось, что ИРНИТУ стал соисполнителем проекта Инженерно-технологического центра Объединенной Компании "РУСАЛ" и Института металлургии и материаловедения Сибирского федерального университета (СФУ). Комплексный проект "Разработка сверхмощной энергоэффективной технологии получения алюминия РА-550" победил в конкурсе в рамках Постановления Правительства РФ N 218 (кооперация вузов и предприятий для создания высокотехнологичного производства). Совместная разработка, направленная на увеличение силы тока промышленных электролизеров до 550 кА, позволит существенно снизить затраты на производство алюминия на новых заводах.