NO812946L - Fremgangsmaate og anordning for varmeregulering av en elektrolysecelle - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en anordning for varmeregulering av en smelteelektrolysecelle for fremstilling av aluminium samt en fremgangsmåte for bibehold av den termiske likevekt for en sådan celle ved forskjellige strømstyrker mellom 50 og 125 % av normalverdien av cellestrømmen.

For utvinning av aluminium ved elektrolyse av aluminiumoksyd oppløses denne i en fluoridsmelte som for størstedelen består av kryolitt. Det katodisk utskilte aluminium samler seg under fluoridsmeiten på cellens karbonbunn, således at overflaten av det flytende aluminium danner cellens katode. Ned i smeiten er det ovenfra neddykket anoder som ved vandige fremgangsmåter består av amorft karbon. Ved elektrolytisk spalting av aluminiumoksyd ved karbonanodene utvikles det oksygen som forbinder seg med anodenes karbonmaterial til Co^og CO. Elektrolysen finner sted innenfor et temperaturområde fra ca. 940 til 970°C.

I løpet av elektrolysen utarmes smelteelektrolytten på aluminiumoksyd. Ved en nedre konsentrasjon på 1 - 2 vektprosent aluminiumoksyd i elektrolytten oppstår det såkalt anodeeffekt, som gir seg til kjenne ved en spenningsstigning fra f.eks. 4 - 4,5 V

til 30 V og høyere. Senest ved dette tidspunkt må skorpen gjennombrytes og aluminiumoksydkonsentrasjonen forhøyes ved tilsetning av nytt aluminiumoksyd (oksydleire).

Ved normal produksjonsbetjening befinner elektrolysecellen seg

i termisk likevekt, hvilket vil si at den motstandsvarme som frembringes av likestrømmen gjennom elektrolysecellen fortløpende avgis til den omgivende masse, således at cellen bibeholdes på konstant temperatur. Hvis styrken av den elektriske likestrøm forhøyes eller nedsettes, så forhøyes eller senkes også elektro-lyttens temperatur, inntil en ny termisk likevekt har innstilt seg.

Ved konstant strømstyrke kan temperaturen i elektrolysecellens likevektilstand påvirkes, idet varme tilføres eller den varmemengde som skal bortføres forandres.

I forbindelse med aluminiumelektrolyse er det kjent en utenfra styrt kjøling ved hjelp av en lukket varmekonveksjonskrets.

I henhold til SU-PS 605865 og 663760 trekkes det ut varme fra

en elektrolysecelle i retning sideveis og nedover over ventiler og rør ved hjelp av et sådant sirkulasjonssystem.

Det nevnte SU-PS 6331937 angir en kombinasjon av varmeuttrekk

og varmetilførsel, hvorved sirkulasjonssystemet ikke bare er utformet i cellens katodedel, men også er tilsluttet Sødebergs-cellens anode.

I henhold til SU-PS 600214 anvendes kjølerør av silisiumkarbid som er anordnet i det utskilte metall. Disse rør som gjennom-strømmes av et kjølemiddel, regulerer elektrolysecellens temperatur på en bestemt verdi, og denne regulering utføres også, liksom i henhold til de tidligere nevnte russiske patent-skrifter, utenfra.

De kjente sirkulasjonssystemer for til- eller bortføring av varme ved hjelp av konveksjon, oppviser følgende ulemper: Varmetransportkapasiteten er ikke tilstrekkelig, og disse systemer er derfor trege,

systemene er ikke selvregulerende,

systemene har konstruktivt en komplisert og lite fleksibel oppbygning, hvilket vil si at kjøling og oppvarming bare kan finne sted på bestemte steder, vanligvis på ytterflåtene.

Det er derfor et formål for foreliggende oppfinnelse å frembringe en anordning for varmeregulering av en smelteelektrolysecelle for fremstilling av aluminium samt en fremgangsmåte for bibehold av den termiske likevekt for en sådan celle ved hjelp av en varmereguleringsanordning som selvregulerende er i stand til å transportere en stor varmemengde, således .at cellen midler-tidig eller varig uten skade kan drives ved strømstyrker på

50 r- 125 % av normalverdien for cellens likestrøm.

r

Med hensyn til oppfinnelsens anordning oppnås dette i henhold til oppfinnelsen ved hjelp av en forsterket celleisolasjon som utgjøres av et opptil 50 % tykkere isolasjonssjikt mellom cellens stålkar og karbonforing samt opptil dobbelt mengde oksydleire på skorpen av størknet elektrolyttmaterial, samt ved varmerør som er innebygget med en blind ytterende i det indre av cellen .

og inneholder et reservibelt fordampbart og kondenserbart varmebærermedium, samt er ført gjennom periferiske deler av cellen og ender i varmevekslere utenfor cellen. De anvendte varmerør i henhold til oppfinnelsen er i og for seg kjent, f.eks. fra tidsskriftet Chem.-Ing.-Tech. 50 (1978) nr. 11, sidene A 654

og utover. Rørene utgjør vakuumtett tilsluttede beholdere som i det indre har en kapillærstruktur som f.eks. kan utgjøres av tekstil- eller trådvev, rifler, sintrede materialer eller lignende. Efter evakuering av varmerørene fylles de med en liten mengde vasske som transportmedium i sådan grad at kapillærstrukturen så vidt er mettet. Denne væske står i likevekt med sin dampfase som fyller resten av det indre rom i varmerørene.

Hvis den ene ende av varmerøret oppvarmes og den annen ende avkjøles, så vil væsken fordampe i den varme ende under opptak av fordampningsvarme. Den utviklede damp strømmer så til den annen kalde ende av varmerøret og kondenseres der under avgivelse av kondensasjonsvarme til kjølemediet. Det frembrakte kondensat strømmer så drevet av kapillærkraften atter tilbake til den varme ende.

Et varmerør består altså hovedsakelig av tre soner, nemlig en fordampningssone, en isolert adiabatisk sone samt en kondensasjonssone.

Ved vanlig fremstilling av aluminium vedismelteelektrolyse går omtrent 60 % av den elektriske energi som tilføres cellen, tapt som varme. Av dette varmetap unnviker ca. 60 % oppover, 10 % nedover gjennom cellebunnen og 30 % gjennom cellens sidevegger (innbefattet katodestavenes tilkoblinger). Ved en overdimen-sjonering av celleisolasjonen bør altså hver celle først og fremst isoleres bedre i retning oppover. Dette oppnåes ved å

spre ut opp til et tonn ytterligere aluminiumoksyd på den størknede elektrolyttskorpe, således at det isolerende oksyd-leiresjikt f.eks. fordobles. Isolasjonen i side- og bunnområdet

forbedres f.eks. hensiktsmessig ved anordning av et tykkere isolasjonssjikt i celleoppbygningen. Videre kan ytterendene av katodestavene avkortes, således at deres varmeutstråling utover nedsettes. Innbygning av varmerør i aluminiumelektrolyseceller er særlig hensiktsmessig på følgende steder: I cellens karbonbunn anordnes varmerør omtrent vertikalt, således at den øvre ytterende fortrinnsvis ender i samme høyde-nivå som de øvre sideflater på katodestavene. Ved nedkjøling av cellen ligger varmerørenes fordampningssone høyere enn deres kondensasjonssone, og det må derfor påses at hvert varmerør bare er så langt at den foreliggende kapillærkraft er større enn tyngdekraften (hydrostatisk trykkforskjell). Ved oppvarming av cellen ligger imidlertid fordampningssonen under kondensa-sjonssonen, og tyngdekraft og kapillærkraft vil da virke i samme retning.

Også i katodestavene, nemlig horisontalt, kan det være anordnet varmerør. For at den elektriske motstand i cellen ikke skal forhøyes, må da katodestavtverrsnittet tilpasses i tilsvarende grad.

Videre kan varmerør innføres i karbonforingen langs cellens sidevegger, således at rørene også i dette tilfelles fortrinnsvis er horisontalt anordnet.

Endelig kan varmerør innlegges i anodestengene som fører.til anodelegemene. Denne utførelsevariant er særlig hensiktsmessig ved anvendelse av anoder som ikke forbrukes. Her virker tyngdekraft og kapillærkraft i innbyrdes motsatt retning ved varmetil-førselen.

Innføring av varmerør i cellen ovenfra er vanskelig, da vanligvis største delen av cellens overside er dekket av karbonanodene, som kontinuerlig efterinnskyves og efter noen få uker må ut-skiftes. Ved cellebetjeningen må skorpen i det minste delvis gjennombrytes, hvilket vanskeliggjør en eventuell anordning av varmerør ved siden av anodene. Dessuten er en anordning av et kjølemiddel på oversiden av cellen betraktelig vanskeligere enn ved siden av eller under cellen.

De ender av varmerørene som rager ut av cellen har fortrinnsvis

en flate som tjener som varmeveksler, f.eks. i lamellform av kjent utførelse, som på sin side er anordnet i en metallisk plate eller i en kanal som gjennomstrømmes av kjølende eller varmende medium. Ved kjøling av cellen er det absolutt mulig å utnytte det medium som oppvarmes av varmeveksleren og strømmer ut av kjølekanalen, f.eks. for eksempel for oppvarmingsformål, enten direkte eller over en lagringsinnretning.

En lamell-lignende varmeveksler kan hensiktsmessig påføres

utenpå ytterenden av et varmerør. Ved denne påføring kan virkningen av et varmerør av enkel form i vesentlig grad forhøyes, idet varmevekslingsflaten flerdobbles.

På grunn av de høye temperaturer i smelteelektrolyseceller for fremstilling av aluminium anvendes fortrinnsvis varmerør med et alkalimetall som varmebærer, og av praktiske og økonomiske grunner anvendes særlig natrium. Ved en eventuell feil på varmerøret vil det ikke spille noen vesentlig rolle om den forholdsvis lille mengde natrium i varmerøret kommer inn i elektrolysecellen. Derimot vil en utstrømning av natrium i en kjølekanal på utsiden av cellen være ytterst farlig, da dette metall reagerer heftig ved kontakt med vann.

Ved anvendelse av varmerør med natrium som varmetransportmiddel eller varmebærer for kjøling av aluminiumelektrolyseceller benyttes derfor fortrinnsvis en primær varmeveksler som omhyller de varmerørender som rager ut fra elektrolysecellen og hensiktsmessig er forsynt med en lamellsats, idet denne primære varmeveksler på sin side står i forbindelse med en sekundærvarme-veksler. Den primære varmeveksler, som helst utgjøres av et kjølekretsløp, fylles med et flytende organisk kjølemiddel for høye temperaturer, og som går godt sammen med såvel natrium som vann og luft, f.eks. det kjølemiddel som har betegnelsen DOWTHERM fra det kjente kjemifirma DOW Inc. Den primære varmeveksler kan bestå av en metallblokk eller en metallplate med god varmeledningsevne. Gjennom den sekundære varmeveksler, som helst utgjøres av en kjølekanal, kan det ledes vann eller luft

Ved anvendelse av såvel en primær som en sekundær varmeveksler får en feil på varmerøret ingen skadelig virkning, da natrium utenfor cellen bare kommer i kontakt med det organiske kjøle-middel og ikke med vann eller luft. Når de økonomiske forhold med hensyn på installasjons- og driftsomkostninger tillater det, kan en smelteelektrolysecelle for fremstilling av aluminium forsynes med varmerør som pumper varme fra et varmemedium inn i cellen. Ved et lengre avbrudd i strømtilførselen kan da cellens elektrolyttmasse holdes varm i sådan grad at elektrolytt-tempe-raturencholdes over en kritisk.verdi. Bom forhindrer fullstendig størkning. Med hensyn til oppfinnelsens fremgangsmåte går denne ut på å opprettholde den termiske likevekt i en smelteelektrolysecelle for fremstilling av aluminium ved alle strømstyrker mellom 50 og 125 % av cellestrømmens normale'verdi. Dette oppnås i henhold til oppfinnelsen ved at en tilsvarende varmemengde trekkes ut av cellen når strømstyrken overstiger 70 - 100 % av normalverdien, mens derimot interpolaravstanden økes eller varme tilføres fra en annen energikilde ved en strømstyrke mellom 50 og 70 - 80 % av cellestrømmens normalverdi.

På grunn av den kraftigere celleisolasjon fjernes varme kontinuerlig fra cellen ved cellestrømmens normalverdi. Alt etter utførelsen av den overdimensjonerte celleisolasjon vil elektrolysecellen være i termisk likevekt uten varmeuttrekk ved en strømstyrke som er redusert til 70 - 80 % av normalverdien. Sammenlignet med en normalt isolert celle kan den katodiske strømtetthet i henhold til oppfinnelsen heves i sådan grad at tilsammen den samme strømstyrke flyter gjennom cellen ved normal drift.

Kvis elektrisk, energi som tilføres cellen nedsettes under kortere eller lengre tid, vil det bli trukket ut mindre varme fra elektrolysecellen, idet varmerørene gjør tjeneste som variabel termisk isolasjon. Dette muliggjør en selvregulerende nyinn-stilling av den termiske likevekt for smelteelektrolysecellen etter forholdsvis kort tid. Produksjonen av aluminium vil da forløpe normalt på et lavere fremstillingsnivå i samsvar med den reduserte energitilførsel.

Den energi som tilføres cellen kan av forskjellige grunner, tilsiktet eller utilsiktet, for kortere eller lengre tid forandres innenfor den angitte verdiramme, og særlig kan energi-tilførselen reduseres av for eksempel følgende grunner:

a) Markedssituasjonen gjør nedsatt produksjon nødvendig.

b) Toppbelastningen for private hushold frembringer kortvarig overbelastning av vedkommende elektriske nett. c) Feil i likeretteranlegget, som kan føre til delvis utfall av den elektriske normalstrøm.

Av særlig viktighet er det at tilgangen på elektrisk energi svinger sterkt i løpet av dagen. Kort før og etter middag såvel som tidlig om aftenen forbruker privathusholdningene store mengder elektrisk energi, mens de fra midnatt til de tidlige morgentimer praktisk talt ikke forbruker noe energi i det hele tatt. For aluminiumverkene som likeledes har stort energibehov vil det derfor være av stor økonomisk betydning hvis de med hensyn til strømforbruk kunne arbeide komplementært ved privathusholdningene .

Oppfinnelsen tillater en sådan styring av strømtilførselen

til elektrolyseovnene at energiopptaket under privathusholdningenes toppbelastning kan nedsettes, mens den derimot forhøyes om natten.

Skjønt strømreduksjonen fortrinnsvis ikke bør være større enn

30 % for ikke å', overskride varmerørenes selvreguleringsområde, tåler likevel en elektrolysecelle i henhold til oppfinnelsen en strømreduksjon ned til 50 %, når også interpolaravstanden økes tilsvarende og/eller varme tilføres fra en annen energikilde. Den temperaturforandring som finner sted for å oppnå

ny termisk likevekt for cellen ved hevning eller senkning av r strømstyrken, bør bare svinge innenfor forholdsvis snevre grenser, f.eks. - 10°C, da hver temperaturforandring gjør at kantskorpen av størknet elektrolyttmaterial blir større eller mindre.

Oppfinnelsen vil nu bli nærmere beskrevet ved hjelp av skjematiske vertikalsnitt på de vedføyde tegninger, hvorpå: figur 1 viser et tverrsnitt gjennom en smelteelektrolysecelle for fremstilling av aluminium og utstyrt med varmerør på siden av cellen, og

figur 2 viser en del av et tverrsnitt gjennom et nedre parti av en smelteelektrolysecelle med et vertikalt anordnet varmerør.

I figur 1 er det vist en smelteelektrolysecelle 10 for fremstilling av aluminium og som hovedsakelig består av et stålkar 12, et ikke vist isolasjonssjikt, en katodisk karbonblokk 14

med innleirede katodestaver 16, samt anodeblokker 18 med bærere 20 og anodestenger 22, idet det hele er anordnet på en sokkel-plate 24. På bunnen av den trauformet utformede karbonblokk 14 ligger flytende aluminium 26 som er utskilt under elektrolyse-prosessen. Anodene 18 er ovenfra neddykket i smelteelektrolytten 28. Dette elektrolyttmaterial er langs cellens sider og oventil størknet til en fast skorpe 30. På denne skorpe er det spredd ut et sjikt av oksydleire 32, som utgjør en utmerket varmeisolasjon.

Langs langsidene av stålkaret 12 er varmerør 34 ført gjennom isolasjonssjiktet og de ytre områder av karbonblokken 14. På

det ytre parti av varmerørene 14 er det anordnet en lamellformet varmeveksler med stor overflate. Ytterenden av varmerøret 34,

som i foreliggende tilfelle er forsynt med en varmeveksler 36,

er anordnet i en kanal 38. Denne kanal kan imidlertid erstattes av en metallblokk med god varmeledningsevne, og det er da ikke nødvendig med noen varmeveksler 36.

Hvis elektrolysecellen 10 må avkjøles, kjøles først kanalen

eller metallblokken 38, og varmerørene 34 overfører da varme i retning av pilen 40. Hvis imidlertid av ovenfor angitte grunner det må tilføres varme, så oppvarmes metallblokken 38 til en temperatur over arbeidstemperaturen for elektrolysecellen 10, og varmerørene overfører da varme i motsatt retning av pilene 40.

Figur 2 viser et varmerør 34 som er ført gjennom stålkaret 12, isolasjonen 13 og delvis inn i karbonbunnen 14 for en elektrolysecelle. På bunnen av karbonblokken 14 ligger flytende aluminium 26.

Den nedre ende av varmerøret 34 er påført en kjølerinnretning 42. Den nedre ende av innretningen 42 rager ned i en primær kjølekanal 44, som er fylt med et organisk kjølemiddel 46.

Dette kjølemiddel er selv ved høye temperaturer inert overfor alkalimetaller, særlig natrium. Det nedre parti av den primære kjølekanal 44 oppviser en nedoverrettet lamell-lignende utbukning 50, hvori gjennom det organiske kjølemiddel sirkulerer i retning av pilen 48 omkring en utragende skillevegg 52 på anordningen 42.

Den lamell-påførte nedre del 50 av det primære kjølerør 44 rager på sin side inn i en sekundær kjølekanal 54. Denne sekundære kjølekanal 54 gjennomstrømmes av et vanlig kjølemiddel 56, fortrinnsvis luft eller vann. Denne utførelseform som tillater uttrekk av varme fra aluminiumelektrolysecellens bunnområde, gjør anvendelse av alkalimetall-varmerør helt ufarlig. Hvis en skade skulle inntreffe, flyter alkalimetallet utelukkende inn i det inerte organiske kjølemiddel og kommer ikke i kontakt med vann eller fuktig luft.

Claims (10)

1. Anordning for varmeregulering av en smelteelektrolysecelle for fremstilling av aluminium, karakterisert ved : a) en forsterket celleisolasjon som utgjøres av et opptil 50 % tykkere isolasjonssj ikt (13) mellom cellens stålkar (12) og karbonforing (14) samt opptil dobbelt mengde oksydleire (32) på skorpen (30) av størknet elektrolyttmaterial, samt b) varmerør (34) som er innebygget med en blind ytterende i det indre av cellen og inneholder et reversibelt fordampbart og kondenserbart varmebærermedium, samt er ført gjennom periferiske deler av cellen og ender i varmevekslere (38, 40) utenfor cellen.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at en endeplate på tilnærmet vertikalt anordnede varmerør (34) i cellens karbonbunn fortrinnsvis ender i samme høydenivå som den øvre sideflate av katodestavene (16) .

3!- Anordning som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at varmerør (34) er innpasset i katodestaver (16) eller anodestenger (22), hvis tverrsnitt er tilsvarende forstørret.

4. Anordning som angitt i krav 1-3, karakterisert ved at en endeflate for hovedsakelig horisontalt anordnede varmerør (34) ender i karbonforingen langs cellesidene.

5. Anordning som angitt i krav 1-4, karakterisert ved at de ytterender av varme-rørene (34) som rager inn i varmevekslere (38,44) på utsiden av cellen er forsynt med en lamellsats (42) som gjør tjeneste som varmeveksler.

6. Anordning som angitt i krav 1-5, karakterisert ved at varmerørenes ytterender rager inn i en primær varmeveksler (44) som i sin tur er anordnet i kontakt med en sekundær varmeveksler.

7. Anordning som angitt i krav 6, karakterisert ved at den primære varmeveksler (44) er utført som en kjølekrets fylt med et organisk flytende kjølemiddel som er egnet for høyere temperaturer og passer sammen med såvel alkalimetaller som luft og vann, mens den sekundære varmeveksler (54) er utført som kjølekrets og er fylt med luft eller vann.

8. Anordning som angitt i krav 6, karakterisert ved at den primære varmeveksler (44) utgjøres av en metallblokk eller metallplate med høy termisk ledningsevne.

9. Fremgangsmåte for å opprettholde termisk likevekt for en smelteelektrolysecelle for aluminiumfremstilling ved hjelp av en anordning som angitt i krav 1-8 samt ved en hvilken som helst strømstyrke mellom 50 og 125 % av normalverdien av cellestrømmen, karakterisert ved at en tilsvarende varmemengde trekkes ut av cellen når strømstyrken overstiger 70 - 80 % av det normale strømnivå,- mens interpolaravstanden økes og varme tilføres cellen fra en annen energikilde ved strøm-styrker mellom 50 og 70 - 80 % av normal cellestrøm.

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 9, karakterisert ved at varme tas kontinuerlig ut fra cellen ved normalverdi av cellestrømmen.