CH648871A5

CH648871A5 - Method of controlling the crust in an electrolysis cell

Info

Publication number: CH648871A5
Application number: CH425082A
Authority: CH
Inventors: Ulf Gruber; Ernst Bosshard
Original assignee: Alusuisse
Priority date: 1982-07-12
Filing date: 1982-07-12
Publication date: 1985-04-15

Description

**WARNUNG** Anfang DESC Feld konnte Ende CLMS uberlappen **.

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Kontrolle des Bordes in einer Schmelzflusselektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium bei kurzfristig veränderter Energiezufuhr aus dem elektrischen Leitungsnetz, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überschreiten einer für jede Elektrolysezelle festgelegten Abweichung (AR) des ohmschen Badwiderstandes (R) von einem Grundwert (Ro) die Interpolardistanz durch Änderung der Traversenposition mittels Computersteuerung mit dem Produkt des Quadrates der Stromstärke (I) und dem ohmschen Badwiderstand (R) als Regelgrösse derart korrigiert wird, dass das thermische Gleichgewicht der Elektrolysezelle bei und nach veränderter Energiezufuhr aus dem elektrischen Leitungsnetz erhalten bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die festgelegte Abweichung (AR) höchstens 10% des Grundwertes (Ro) des ohmschen Badwiderstandes (R) beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die festgelegte Abweichung (AR) höchstens 5% des Grundwertes (Ro) des ohmschen Badwiderstandes (R) beträgt.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kontrolle des Bordes in einer Schmelzflusselektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium bei kurzfristig veränderter Energiezufuhr aus dem elektrischen Leitungsnetz.

Für die Gewinnung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst, die zum grössten Teil aus Kryolith besteht.

Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf dem Kohleboden der Zelle, wobei die Oberfläche des flüssigen Aluminiums die Kathode bildet. In die Schmelze tauchen von oben Anoden ein, die bei konventionellen Verfahren aus amorphem Kohlenstoff bestehen. An den Kohleanoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu C02 und CO verbindet.

Die Elektrolyse findet in einem Temperaturbereich von etwa 940-970"C statt.

Im Laufe der Elektrolyse verarmt der Elektrolyt an Aluminiumoxid. Bei einer unteren Konzentration von 1 bis 2 Gew.% Aluminiumoxid im Elektrolyten kommt es zum Anodeneffekt, der sich in einer Erhöhung der Spannung von beispielsweise 4 bis 5 V auf 30 V und darüber auswirkt. Spätestens dann muss die Aluminiumoxidkonzentration durch Zugabe von neuer Tonerde angehoben werden.

Bei normalen Produktionsbedingungen befindet sich die Elektrolysezelle im thermischen Gleichgewicht, d.h. die in der Zelle mit dem Elektrolysegleichstrom produzierte ohmsche Wärme wird laufend in dem Masse an die Umgebung abgeführt, dass die Zelle auf konstanter Temperatur bleibt. Wird die Stärke des elektrischen Gleichstromes infolge von veränderter Energiezufuhr auf dem elektrischen Leitungsnetz erhöht oder erniedrigt, so erhöht oder erniedrigt sich die Temperatur des Elektrolyten, bis sich ein neues thermisches Gleichgewicht eingestellt hat.

Während weniger Stunden verursacht der Spitzenbedarf der Privathaushalte kurzzeitige Netzüberlastungen: Kurz vor und über Mittag sowie am frühen Abend verbrauchen die Privathaushalte grosse Mengen an elektrischer Energie, während sie nach Mitternacht bis in die frühen Morgenstunden praktisch nichts verbrauchen. Für die ebenfalls energieintensive, jedoch zeitlich konstante Aluminiumelektrolyse wäre es deshalb von grossem wirtschaftlichem Interesse, wenn sie komplementär zum Stromverbrauch der Privathaushalte arbeiten könnte.

Es ist zu erwarten, dass bei in den nächsten Jahren abgeschlossenen Energielieferungsverträgen für die Aluminiumindustrie vermehrt die Forderung nach einer Reduzierung der zur Verfügung gestellten Leistung in den Spitzenzeiten des Elektrizitätsbedarfes enthalten sein wird.

Diese Leistungsreduzierungen, die beispielsweise insgesamt 4 Stunden pro Tag dauern können, stellen die Elektrolysewerke zur Herstellung von Aluminium vor schwerwiegende Probleme: - Je nach Dauer der Reduktion der Stromstärke und individueller thermischer Isolierung der Elektrolysezellen werden sich unterschiedliche Borde ausbilden, die in schweren Fällen bis zum Kontakt mit den Anoden führen können.

- Der Gesamtenergieverbrauch bei konstanter Produktion wird ansteigen, da die Elektrolysezellen nach einer Reduktion des Stromes zusätzlich Energie in Form von ohmscher Wärme zum Erreichen des normalen Betriebszustandes zugeführt werden muss. Dabei ist es mit den heute zur Verfügung stehenden Kontrollmethoden schwierig, kurzfristig festzustellen, wann der optimale Zustand einer Elektrolysezelle wieder erreicht ist. Die Folge davon wird eine erhöhte Anzahl von unruhigen, zu kalten oder zu warmen Elektrolysezellen sein.

Die bekannten Zirkulationssysteme, welche bei kurzfristig veränderter Energiezufuhr aus dem elektrischen Leitungsnetz mittels Konvektion Wärme zu- oder abführen können, weisen folgende Nachteile auf: - Die Transportkapazität ist nicht genügend; das System ist zu träge.

- Die Systeme sind nicht selbstregulierend.

- Die Systeme sind konstruktiv aufwendig und wenig flexibel, d.h. es kann nur an bestimmten Stellen - im allgemeinen an den Aussenflächen - gekühlt bzw. erwärmt werden.

In der DE-OS 3 033 710 wird eine Vorrichtung zum Regulieren des Wärmeflusses einer Aluminiumschmelzflusselektrolysezelle mit einer verstärkt ausgestalteten Zellenisolation beschrieben. Bei einer 70-80% des Normalwertes übersteigenden Stromstärke wird mittels Wärmerohren in entsprechendem Masse Wärme abgezogen. Bei einer Stromstärke zwischen 50 und 70-80% des Normalwertes dagegen wird die Interpolardistanz vergrössert bzw. aus einer anderen Energiequelle Wärme zugeführt. Bei diesem Zellenkonzept wird beim Normalwert des Zellengleichstromes dauernd Wärme über Wärmerohre abgeführt.

Aus der DE-OS 2503 635 ist ein Verfahren zur Kontrolle der Dicke der seitlichen Borde in einer Zelle zur Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse bekannt. Dieses Verfahren ist auf den normalen Elektrolysebetrieb, ohne kurzfristig ver änderte Energiezufuhr, ausgerichtet. Bei Änderung des mittleren ohmschen Zellenwiderstandes wird die Traversenposition verändert. Nach mehrmaliger Wiederholung dieser Verfahrensschritte wird die Position der Traverse auf Abweichungen geprüft und schliesslich derart verändert, dass die Dicke der seitlichen Borde auf den gewünschten Wert zurückgebracht wird.

Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, den Elektrolysebetrieb zur Herstellung von Aluminium der Leistungsfähigkeit der elektrischen Energieversorgung weitmöglichst anzupassen und kurzfristige Änderungen aufzufangen, wobei ein weitgehend ungestörter Ofengang gewährleistet sein soll.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass

beim Überschreiten einer für jede Elektrolysezelle festgelegten Abweichung des ohmschen Badwiderstandes von einem Grundwert die Interpolardistanz durch Änderung der Traversenposition mittels Computersteuerung mit dem Produkt des Quadrates der Stromstärke und dem ohmschen Badwiderstand als Regelgrösse derart korrigiert wird, dass das thermische Gleichgewicht der Elektrolysezelle bei und nach veränderter Energiezufuhr aus dem elektrischen Leitungsnetz erhalten bleibt.

Die festgelegte Abweichung des ohmschen Badwiderstandes von einem Grundwert beträgt vorzugsweise höchstens 10%, insbesondere höchstens 5%.

Es ist notwendig, jede Elektrolysezelle mit einer Einzelsteuerung zu kontrollieren, weil bei jeder Elektrolysezelle die Isolation und damit die Energiebilanz unterschiedlich ist.

Bei einer Spitzenbelastung des elektrischen Leitungsnetzes kann die durch eine Halle mit Schmelzflusselektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium geführte Stromstärke bis zu 50Uo reduziert werden, wenn das erfindungsgemässe Verfahren angewendet wird. Normalerweise beträgt diese Reduktion der Stromstärke allerdings nur 20 bis 30". Die durch eine Halle geführte Stromstärke wird reduziert, indem am Transformator die Spannung herabgesetzt wird. Bei über die ganze Halle ungefähr gleichem Widerstand wird die Strom stärke I entsprechend herabgesetzt.

Die elektrische Wärmeerzeugung W einer Elektrolysezelle berechnet sich wie folgt: W =12. R t wobei I die Stromstärke, R den ohmschen Badwiderstand und t die Zeit bedeuten.

Bei normaler Interpolardistanz produzieren die Elektrolysezellen bei herabgesetzter Stromstärke zu wenig Wärme, um die Temperatur über eine längere Zeitspanne konstant zu halten. Zum Beispiel wird bei halber Stromstärke nur noch ein Viertel der ursprünglichen Wärme produziert, weil deren Produktion mit dem Quadrat der Stromstärke I abnimmt.

Insbesondere bei weniger gut oder schlecht isolierten Elektrolysezellen nimmt die Temperatur bei geringerer Stromstärke verhältnismässig rasch ab. Das Bord der Zelle, gebildet aus erstarrtem Elektrolytmaterial, nimmt zu und führt zu einer Verringerung des Raumes für den Schmelzfluss und führt dazu, dass das die Kathode bildende Metallniveau ansteigt und damit die Interpolardistanz verringert.

Proportional zum Ansteigen des Metallspiegels sinkt der elektrische Widerstand R durch den Elektrolyten. Übersteigt die Reduktion des ohmschen Badwiderstandes den vorgegebenen Wert, für die betreffende Elektrolysezelle, so wird die Traverse computergesteuert um einen entsprechenden Betrag angehoben und damit der Widerstand vergrössert. Der Verlust an Wärmeproduktion wegen verminderter Stromstärke wird in dem Masse durch Erhöhung des ohmschen Badwiderstandes R ausgeglichen, als es für die Erhaltung des thermischen Gleichgewichts der Elektrolysezelle notwendig ist.

Wenn nach dem Abklingen des Spitzenverbrauchs an elektrischer Energie durch Privathaushalte vom elektrischen Leitungsnetz wieder die normale Leistung bezogen werden kann, wird die an die Halle mit den Elektrolysezellen angelegte Spannung wieder entsprechend erhöht. Das Abschmelzen des Bordes der Zellen wird überwacht und gesteuert. Insbesondere kann der ursprünglich optimale Betriebszustand erkannt werden, und die Leistungszufuhr entsprechend für jede Elektrolysezelle mittels Einstellung der Traversenposition individuell geregelt werden.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die schematischen Darstellungen zeigen:
Fig. 1 die Stromstärke I in Funktion der Zeit t
Fig. 2 den ohmschen Badwiderstand R in Funktion der Zeitt
Fig. 3 die Wärmeerzeugung W in Funktion der Zeit t.

Der in Fig. 1 dargestellte Ausschnitt aus dem Stromstärke/ Zeit-Diagramm zeigt, wie zwischen der zehnten und zwölften Stunde die Stromstärke I vom Normalwert (100%) auf 80% herabgesetzt ist. Dies erfolgt beispielsweise bei der Spitzenbelastung des elektrischen Leitungsnetzes über Mittag.

In Fig. 2 wird der Verlauf des ohmschen Badwiderstandes R einer verhältnismässig schlecht isolierten Elektrolysezelle gezeigt. Die Kurve I zeigt den Verlauf des ohmschen Badwiderstandes ohne die erfindungsgemässe Regelung. Bei der Absenkung der Stromstärke auf 80% beginnt sich - wegen der verhältnismässig schlechten Isolation - die Temperatur verhältnismässig rasch abzusenken, damit friert etwas Elektrolyt am Bord an, der Metallstand wird gehoben und der ohmsche Badwiderstand R nimmt deshalb ab. Nach der zwölften Stunde wird wieder der Normalwert von 100% der Stromstärke I eingeschaltet. Wegen der erhöhten Stromstärke steigt die Wärmeproduktion wieder an, ebenso die Temperatur.

Damit wird das ausgefrorene Elektrolytmaterial wieder aufgelöst, die Interpolardistanz, d.h. der Abstand zwischen Anode und Kathode vergrössert sich, und der ohmsche Badwiderstand R steigt ebenfalls wieder an, bis der Grundwiderstand Ro des thermischen Gleichgewichtszustandes wieder erreicht ist.

Die Kurve II zeigt den Widerstandsverlauf mit erfindungsgemässer Regelung. Nachdem infolge erniedrigter Stromstärke der Widerstand um AR, im vorliegenden Beispiel 4%, gesunken ist, setzt die computergesteuerte Regelung automatisch ein und erhöht den Widerstand um einen solchen Wert, dass ein thermisches Gleichgewicht der Elektrolysezelle erreicht wird. Wenn nach der zwölften Stunde der normale Strom wieder einsetzt steigt aus den oben beschriebenen Gründen der ohmsche Badwiderstand R, bis der Wert Ro + AR erreicht ist (im vorliegenden Fall ist AR ebenfalls 4%). In diesem Moment setzt die computergesteuerte Regelung den ohmschen Badwiderstand R in dem Masse herab, dass der Grundwert Ro asymptotisch erreicht wird und die Elektrolysezelle im elektrischen Gleichgewicht bleibt.

Die in Fig. 3 dargestellte Wärmeproduktion W in Funktion der Zeit enthält nur das Ergebnis der Kurve II von Fig. 2, d.h.

der erfindungsgemäss gesteuerten Elektrolysezelle. Nach der zehnten Stunde fällt die Wärmeproduktion W ab, und bleibt konstant bis die computergesteuerte Regelung einsetzt.

Wegen Erhöhung des Widerstandes R steigt die Wärmeproduktion wieder an und bleibt dann, unter dem Normalwert, bis zur zwölften Stunde konstant. Nachher erfolgt eine Überproduktion, bis die Widerstandskurve den Normalwert Ro wieder erreicht hat. Die Fläche F entspricht der dank des erfindungsgemässen Verfahrens gesparten Energie.

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Kontrolle des Bordes in einer Schmelzflusselektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium bei kurzfristig veränderter Energiezufuhr aus dem elektrischen Leitungsnetz, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überschreiten einer für jede Elektrolysezelle festgelegten Abweichung (AR) des ohmschen Badwiderstandes (R) von einem Grundwert (Ro) die Interpolardistanz durch Änderung der Traversenposition mittels Computersteuerung mit dem Produkt des Quadrates der Stromstärke (I) und dem ohmschen Badwiderstand (R) als Regelgrösse derart korrigiert wird, dass das thermische Gleichgewicht der Elektrolysezelle bei und nach veränderter Energiezufuhr aus dem elektrischen Leitungsnetz erhalten bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die festgelegte Abweichung (AR) höchstens 10% des Grundwertes (Ro) des ohmschen Badwiderstandes (R) beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die festgelegte Abweichung (AR) höchstens 5% des Grundwertes (Ro) des ohmschen Badwiderstandes (R) beträgt.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kontrolle des Bordes in einer Schmelzflusselektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium bei kurzfristig veränderter Energiezufuhr aus dem elektrischen Leitungsnetz.

Für die Gewinnung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst, die zum grössten Teil aus Kryolith besteht.

Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf dem Kohleboden der Zelle, wobei die Oberfläche des flüssigen Aluminiums die Kathode bildet. In die Schmelze tauchen von oben Anoden ein, die bei konventionellen Verfahren aus amorphem Kohlenstoff bestehen. An den Kohleanoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu C02 und CO verbindet.

Die Elektrolyse findet in einem Temperaturbereich von etwa 940-970"C statt.

Im Laufe der Elektrolyse verarmt der Elektrolyt an Aluminiumoxid. Bei einer unteren Konzentration von 1 bis 2 Gew.% Aluminiumoxid im Elektrolyten kommt es zum Anodeneffekt, der sich in einer Erhöhung der Spannung von beispielsweise 4 bis 5 V auf 30 V und darüber auswirkt. Spätestens dann muss die Aluminiumoxidkonzentration durch Zugabe von neuer Tonerde angehoben werden.

Bei normalen Produktionsbedingungen befindet sich die Elektrolysezelle im thermischen Gleichgewicht, d.h. die in der Zelle mit dem Elektrolysegleichstrom produzierte ohmsche Wärme wird laufend in dem Masse an die Umgebung abgeführt, dass die Zelle auf konstanter Temperatur bleibt. Wird die Stärke des elektrischen Gleichstromes infolge von veränderter Energiezufuhr auf dem elektrischen Leitungsnetz erhöht oder erniedrigt, so erhöht oder erniedrigt sich die Temperatur des Elektrolyten, bis sich ein neues thermisches Gleichgewicht eingestellt hat.

Während weniger Stunden verursacht der Spitzenbedarf der Privathaushalte kurzzeitige Netzüberlastungen: Kurz vor und über Mittag sowie am frühen Abend verbrauchen die Privathaushalte grosse Mengen an elektrischer Energie, während sie nach Mitternacht bis in die frühen Morgenstunden praktisch nichts verbrauchen. Für die ebenfalls energieintensive, jedoch zeitlich konstante Aluminiumelektrolyse wäre es deshalb von grossem wirtschaftlichem Interesse, wenn sie komplementär zum Stromverbrauch der Privathaushalte arbeiten könnte.

Es ist zu erwarten, dass bei in den nächsten Jahren abgeschlossenen Energielieferungsverträgen für die Aluminiumindustrie vermehrt die Forderung nach einer Reduzierung der zur Verfügung gestellten Leistung in den Spitzenzeiten des Elektrizitätsbedarfes enthalten sein wird.

Diese Leistungsreduzierungen, die beispielsweise insgesamt 4 Stunden pro Tag dauern können, stellen die Elektrolysewerke zur Herstellung von Aluminium vor schwerwiegende Probleme: - Je nach Dauer der Reduktion der Stromstärke und individueller thermischer Isolierung der Elektrolysezellen werden sich unterschiedliche Borde ausbilden, die in schweren Fällen bis zum Kontakt mit den Anoden führen können.

- Der Gesamtenergieverbrauch bei konstanter Produktion wird ansteigen, da die Elektrolysezellen nach einer Reduktion des Stromes zusätzlich Energie in Form von ohmscher Wärme zum Erreichen des normalen Betriebszustandes zugeführt werden muss. Dabei ist es mit den heute zur Verfügung stehenden Kontrollmethoden schwierig, kurzfristig festzustellen, wann der optimale Zustand einer Elektrolysezelle wieder erreicht ist. Die Folge davon wird eine erhöhte Anzahl von unruhigen, zu kalten oder zu warmen Elektrolysezellen sein.

Die bekannten Zirkulationssysteme, welche bei kurzfristig veränderter Energiezufuhr aus dem elektrischen Leitungsnetz mittels Konvektion Wärme zu- oder abführen können, weisen folgende Nachteile auf: - Die Transportkapazität ist nicht genügend; das System ist zu träge.

- Die Systeme sind nicht selbstregulierend.

- Die Systeme sind konstruktiv aufwendig und wenig flexibel, d.h. es kann nur an bestimmten Stellen - im allgemeinen an den Aussenflächen - gekühlt bzw. erwärmt werden.

In der DE-OS 3 033 710 wird eine Vorrichtung zum Regulieren des Wärmeflusses einer Aluminiumschmelzflusselektrolysezelle mit einer verstärkt ausgestalteten Zellenisolation beschrieben. Bei einer 70-80% des Normalwertes übersteigenden Stromstärke wird mittels Wärmerohren in entsprechendem Masse Wärme abgezogen. Bei einer Stromstärke zwischen 50 und 70-80% des Normalwertes dagegen wird die Interpolardistanz vergrössert bzw. aus einer anderen Energiequelle Wärme zugeführt. Bei diesem Zellenkonzept wird beim Normalwert des Zellengleichstromes dauernd Wärme über Wärmerohre abgeführt.

Aus der DE-OS 2503 635 ist ein Verfahren zur Kontrolle der Dicke der seitlichen Borde in einer Zelle zur Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse bekannt. Dieses Verfahren ist auf den normalen Elektrolysebetrieb, ohne kurzfristig ver änderte Energiezufuhr, ausgerichtet. Bei Änderung des mittleren ohmschen Zellenwiderstandes wird die Traversenposition verändert. Nach mehrmaliger Wiederholung dieser Verfahrensschritte wird die Position der Traverse auf Abweichungen geprüft und schliesslich derart verändert, dass die Dicke der seitlichen Borde auf den gewünschten Wert zurückgebracht wird.

Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, den Elektrolysebetrieb zur Herstellung von Aluminium der Leistungsfähigkeit der elektrischen Energieversorgung weitmöglichst anzupassen und kurzfristige Änderungen aufzufangen, wobei ein weitgehend ungestörter Ofengang gewährleistet sein soll. **WARNUNG** Ende CLMS Feld konnte Anfang DESC uberlappen**.