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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.
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PATENT CLAIMS
1. Method for checking the board in a melt flow electrolysis cell for the production of aluminum with a brief change in energy supply from the electrical supply network, characterized in that when a deviation (AR) of the ohmic bath resistance (R) from a basic value (Ro) defined for each electrolysis cell is exceeded the interpolar distance is corrected by changing the truss position by means of computer control with the product of the square of the current (I) and the ohmic bath resistance (R) as a controlled variable in such a way that the thermal equilibrium of the electrolytic cell is maintained with and after a change in energy supply from the electrical supply network.
2. The method according to claim 1, characterized in that the defined deviation (AR) is at most 10% of the basic value (Ro) of the ohmic bath resistance (R).
3. The method according to claim 2, characterized in that the defined deviation (AR) is at most 5% of the basic value (Ro) of the ohmic bath resistance (R).
The invention relates to a method for checking the board in a melt flow electrolysis cell for the production of aluminum with briefly changed energy supply from the electrical supply network.
For the production of aluminum by melt flow electrolysis of aluminum oxide, this is dissolved in a fluoride melt, which consists largely of cryolite.
The cathodically deposited aluminum collects under the fluoride melt on the carbon bottom of the cell, the surface of the liquid aluminum forming the cathode. Anodes which consist of amorphous carbon in conventional processes are immersed in the melt. At the carbon anodes, the electrolytic decomposition of the aluminum oxide produces oxygen, which combines with the carbon of the anodes to form CO 2 and CO.
The electrolysis takes place in a temperature range of approximately 940-970 "C.
In the course of electrolysis, the electrolyte becomes poor in aluminum oxide. With a lower concentration of 1 to 2% by weight of aluminum oxide in the electrolyte, there is an anode effect, which results in an increase in the voltage from, for example, 4 to 5 V to 30 V and above. Then, at the latest, the aluminum oxide concentration must be increased by adding new alumina.
Under normal production conditions, the electrolytic cell is in thermal equilibrium, i.e. The ohmic heat produced in the cell with the direct electrolysis current is continuously dissipated to the environment to the extent that the cell remains at a constant temperature. If the strength of the direct electrical current is increased or decreased as a result of a change in the energy supply to the electrical supply network, the temperature of the electrolyte increases or decreases until a new thermal equilibrium has been established.
During a few hours, the peak demand of private households causes short-term network overloads: Shortly before and over noon and in the early evening, private households consume large amounts of electrical energy, while practically nothing is consumed after midnight until the early hours of the morning. For aluminum electrolysis, which is also energy-intensive, but constant over time, it would therefore be of great economic interest if it could work to complement the electricity consumption of private households.
It can be expected that in the coming years energy supply contracts for the aluminum industry will increasingly include the demand for a reduction in the power available in the peak times of the electricity demand.
These power reductions, which can last a total of 4 hours per day, pose serious problems for the electrolysis plants for the production of aluminum: - Depending on the duration of the reduction in current and individual thermal insulation of the electrolysis cells, different shelves will form, which in severe cases can be up to Contact with the anodes.
- The total energy consumption with constant production will increase, since after a reduction in the current, the electrolysis cells must be supplied with additional energy in the form of ohmic heat in order to achieve the normal operating state. With the control methods available today, it is difficult to determine at short notice when the optimal condition of an electrolytic cell is reached again. The result will be an increased number of restless, too cold or too warm electrolytic cells.
The known circulation systems, which can supply or remove heat from the electrical supply network by means of convection when the energy supply is changed at short notice, have the following disadvantages: - The transport capacity is not sufficient; the system is too sluggish.
- The systems are not self-regulating.
- The systems are structurally complex and not very flexible, i.e. it can only be cooled or heated at certain points - generally on the outer surfaces.
DE-OS 3 033 710 describes a device for regulating the heat flow of an aluminum melt flow electrolysis cell with a reinforced cell insulation. If the current exceeds 70-80% of the normal value, heat is drawn off to the appropriate extent using heat pipes. With a current between 50 and 70-80% of the normal value, however, the interpolar distance is increased or heat is supplied from another energy source. With this cell concept, the normal value of the cell direct current continuously dissipates heat via heat pipes.
From DE-OS 2503 635 a method for controlling the thickness of the side shelves in a cell for the production of aluminum by electrolysis is known. This procedure is aimed at normal electrolysis operation without changing the energy supply at short notice. If the mean ohmic cell resistance changes, the truss position is changed. After repeating these process steps several times, the position of the traverse is checked for deviations and finally changed in such a way that the thickness of the side shelves is brought back to the desired value.
The inventors have set themselves the task of adapting the electrolysis operation for the production of aluminum as far as possible to the performance of the electrical energy supply and to absorb short-term changes, whereby a largely undisturbed furnace operation is to be ensured.
According to the invention, the object is achieved in that
If a deviation of the ohmic bath resistance from a basic value determined for each electrolysis cell is exceeded, the interpolar distance is corrected by changing the truss position by means of computer control with the product of the square of the current strength and the ohmic bath resistance as a control variable in such a way that the thermal equilibrium of the electrolysis cell with and after a changed energy supply preserved from the electrical network.
The specified deviation of the ohmic bath resistance from a basic value is preferably at most 10%, in particular at most 5%.
It is necessary to control each electrolysis cell with a single controller because the insulation and thus the energy balance is different for each electrolysis cell.
In the event of a peak load on the electrical line network, the current strength passed through a hall with a melt flow electrolysis cell for the production of aluminum can be reduced by up to 50Uo if the method according to the invention is used. Normally, however, this reduction in current is only 20 to 30 ". The current through a hall is reduced by reducing the voltage at the transformer. If the resistance is approximately the same across the hall, the current I is reduced accordingly.
The electrical heat generation W of an electrolysis cell is calculated as follows: W = 12. R t where I is the current, R is the ohmic bath resistance and t is time.
With a normal interpolar distance, the electrolysis cells produce too little heat when the current is reduced to keep the temperature constant over a longer period of time. For example, at half the current, only a quarter of the original heat is produced because its production decreases with the square of the current I.
In particular in the case of less well or poorly insulated electrolysis cells, the temperature decreases relatively quickly with a lower current. The rim of the cell, formed from solidified electrolyte material, increases and leads to a reduction in the space for the melt flow and causes the metal level forming the cathode to increase, and thus the interpolar distance.
The electrical resistance R through the electrolyte decreases in proportion to the rise in the metal level. If the reduction in the ohmic bath resistance exceeds the specified value for the electrolysis cell in question, the traverse is computer-controlled raised by a corresponding amount and the resistance is increased. The loss of heat production due to reduced current is compensated for by increasing the ohmic bath resistance R than is necessary to maintain the thermal balance of the electrolytic cell.
If, after the peak consumption of electrical energy by private households has returned to normal power, the voltage applied to the hall with the electrolysis cells is increased accordingly. The melting of the board of the cells is monitored and controlled. In particular, the originally optimal operating state can be recognized, and the power supply can be regulated individually for each electrolysis cell by adjusting the truss position.
The invention is explained in more detail with reference to the drawing.
The schematic representations show:
Fig. 1 shows the current intensity I as a function of time t
Fig. 2 shows the ohmic bath resistance R as a function of time
Fig. 3 shows the heat generation W as a function of time t.
The section of the current / time diagram shown in FIG. 1 shows how the current I is reduced from the normal value (100%) to 80% between the tenth and twelfth hour. This occurs, for example, when the electrical network is peaked at noon.
2 shows the course of the ohmic bath resistance R of a relatively poorly insulated electrolysis cell. Curve I shows the course of the ohmic bath resistance without the regulation according to the invention. When the current is reduced to 80%, the temperature begins to drop relatively quickly because of the relatively poor insulation, so that some electrolyte freezes on board, the metal level is raised and the ohmic bath resistance R therefore decreases. After the twelfth hour, the normal value of 100% of current I is switched on again. Because of the increased current, the heat production rises again, as does the temperature.
The frozen electrolyte material is thus dissolved again, the interpolar distance, i.e. the distance between the anode and the cathode increases, and the ohmic bath resistance R also increases again until the basic resistance Ro of the thermal equilibrium state is reached again.
Curve II shows the course of resistance with regulation according to the invention. After the resistance has decreased by AR, in the present example 4%, as a result of the reduced current intensity, the computer-controlled regulation starts automatically and increases the resistance by such a value that a thermal equilibrium of the electrolysis cell is achieved. If the normal current resumes after the twelfth hour, the ohmic bath resistance R increases for the reasons described above until the value Ro + AR is reached (in the present case AR is also 4%). At this moment, the computer-controlled control reduces the ohmic bath resistance R to the extent that the basic value Ro is reached asymptotically and the electrolysis cell remains in electrical balance.
The heat production W as a function of time shown in Fig. 3 contains only the result of curve II of Fig. 2, i.e.
the electrolysis cell controlled according to the invention. After the tenth hour, the heat production W drops, and remains constant until the computer-controlled control starts.
Because of the increase in the resistance R, the heat production increases again and then remains below the normal value until the twelfth hour. Afterwards, there is overproduction until the resistance curve has reached the normal value Ro again. The area F corresponds to the energy saved thanks to the method according to the invention.