-
Gebiet der
Erfindung
-
Die Erfindung betrifft die Herstellung
von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse nach dem Verfahren von
Hall und Héroult
und die Anlagen zur großtechnischen
Durchführung
des Verfahrens. Sie betrifft insbesondere die Kontrolle der Wärmeflüsse in den
Elektrolysezellen und die Kühleinrichtungen, mit
denen sich diese Kontrolle erzielen lässt.
-
Stand der
Technik
-
Aluminiummetall wird großtechnisch
durch Schmelzflusselektrolyse nach dem gut bekannten Verfahren von
Hall und Héroult
hergestellt, d. h. durch Elektrolyse von Tonerde, die in geschmolzenem
Kryolith – dem
Elektrolyten – gelöst ist.
Der schmelzflüssige
Elektrolyt ist in einer Zelle enthalten, welche eine innen mit Feuerfest-
und/oder Isoliermaterial ausgekleidete Stahlwanne und eine am Boden der
Zelle gelegene Kathodenanordnung aufweist. Der Elektrolysestrom,
der Werte von mehr als 300 kA erreichen kann, bewirkt die Reduktionsreaktionen der
Tonerde und ermöglicht
es gleichzeitig, den schmelzflüssigen
Elektrolyten durch Stromwärme
auf einer Temperatur von etwa 950°C
zu halten.
-
Die Elektrolysezelle wird gewöhnlich so
gesteuert, dass sie sich in thermischem Gleichgewicht befindet,
d. h. dass die von der Elektrolysezelle abgeführte Wärme insgesamt durch die in
der Zelle erzeugte, im Wesentlichen vom Elektrolysestrom gelieferte
Wärme kompensiert
wird. Der Gleichgewichtspunkt wird in der Regel so gewählt, dass
sowohl vom technischen als auch vom wirtschaftlichen Gesichtspunkt
aus die günstigsten
Betriebsbedingungen erzielt werden. Insbesondere stellt die Möglichkeit,
eine optimale Solltemperatur aufrechtzuerhalten, eine spürbare Kostenersparnis
bei der Aluminiumherstellung dar, da die Stromausbeute sehr hoch
bleibt und in modernen Aluminiumwerken mehr als 90% beträgt.
-
Die thermischen Gleichgewichtsverhältnisse hängen von
den physikalischen Parametern der Zelle ab, z. B. Dimensionen, Art
der verwendeten Werkstoffe, sowie von den Betriebsbedingungen der
Zelle, z. B. elektrischer Widerstand der Zelle, Badtemperatur, Stärke des
Elektrolysestroms. Die Zelle wird häufig so gestaltet und gefahren,
dass sich an den Seitenwänden
der Zelle ein Randansatz aus erstarrtem Elektrolyt bildet, wodurch
insbesondere verhindert wird, dass die Auskleidungen dieser Wände durch die
Kryolithschmelze angegriffen werden.
-
Aufgabenstellung
-
Bei der industriellen Herstellung
von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse ist man im Hinblick
auf einen optimierten Betrieb der Aluminiumhütten ständig mit der Notwendigkeit
konfrontiert, über Industrieanlagen
zu verfügen,
die nicht nur die Stabilisierung und Beibehaltung des Arbeitspunktes
der Elektrolysezellen ermöglichen,
sondern auch willkürliche Änderungen
der Betriebsbedingungen zulassen, die verglichen mit den Nennbedingungen
gewaltig sein können.
Mit anderen Worten: es ist oft günstig,
den Arbeitspunkt der Elektrolysezellen einer Aluminiumhütte bei
gleichzeitiger Beibehaltung oder sogar Verbesserung der normalen
technischen Zellenleistungen leicht kontrollieren oder sogar modulieren zu
können,
ohne dabei jedoch die Produktionskosten zu erhöhen. Ein solche Situation tritt
beispielsweise dann auf, wenn die Leistung eines Elektrolysezellensystems
je nach Energievertrag geändert
werden soll.
-
Zu diesem Zweck suchte die Anmelderin nach
Methoden und Mitteln zur Kontrolle der Wärmeflüsse und zur Stabilisierung
der Wärmeverhältnisse in
den Elektrolysezellen, welche Methoden und Mittel bei sehr großer Effizienz
und hoher Anpassungsfähigkeit
keinen großen
Investitionsaufwand erfordern und keine hinderlichen zusätzlichen
Betriebskosten nach sich ziehen.
-
Es wurde bereits vorgeschlagen, die
Zellen mit spezifischen Mitteln auszurüsten, um die von den Elektrolysezellen
produzierte Wärme
kontrolliert abzuführen
und zu dissipieren. Insbesondere wird in den sowjetischen Erfinderscheinen
SU 605 865 und SU 663 760 vorgeschlagen, die Zellen mit einem von außen gesteuerten
Kühlsystem
auszustatten, welches dichte Hohlräume auf den Seiten und unterhalb der
Zelle sowie verstellbare Wärmeschilde
und mit Stellklappen versehene Rohrleitungen aufweist. Dabei wird
mit einem Lüfter
oder Kompressor Luft in die Leitungen getrieben. Diese Vorrichtungen
erfordern einen aufwendigen und voluminösen Unterbau.
-
Ferner wurde in der Patentanmeldung
EP 0 047 227 vorgeschlagen,
die Wärmeisolierung
der Zelle zu verstärken
und sie mit Wärmerohren
zu versehen, die mit Wärmetauschern
ausgestattet sind. Die Wärmerohre
durchqueren Wanne und Wärmeisolierung
und sind in den Kohlenstoffteilen, zum Beispiel den Randplatten
befestigt. Diese Lösung
ist in ihrer Ausführung
relativ kompliziert und teuer und überdies mit relativ großen Veränderungen
an der Zelle verbunden.
-
Um insbesondere die Bildung eines
Randansatzes aus erstarrtem Elektrolyt zu begünstigen, ist es weiters aus
dem amerikanischen Patent
US
4 087 345 bekannt, eine Wanne mit Aussteifungen und einem
Verstärkungsrahmen
zu verwenden, um die Kühlung
der Zellenwände
durch natürliche
Luftströmung
zu fördern.
Bei einer solchen Vorrichtung müssen
die Einrichtungen fest mit der Wanne verbunden sein. Außerdem sind
statische Vorrichtungen für
eine präzise
Kontrolle der Wärmeflüsse nicht
gut geeignet.
-
Um die Bildung des Randansatzes aus
erstarrtem Elektrolyt zu kontrollieren und einen Teil der an den
Seiten der Zelle abgegangenen Wärme
wiederzugewinnen, wird im amerikanischen Patent
US 4 608 135 vorgeschlagen, eine Zelle
zu verwenden, die Kanäle
zwischen den Randplatten und der Innenisolierung der Zelle sowie
Lufteintrittsöffnungen
an den Seiten der Zelle aufweist. Die Kanäle sind zum einen mit den Öffnungen
und zum anderen mit dem Innenraum der an der Zelle befestigten Lufterfassungsvorrichtung
verbunden. Die Lufterfassungsvorrichtung saugt die an den Seiten
der Zelle entnommene Umgebungsluft über die Öffnungen an und befördert sie in
die Kanäle
entlang der Randplatten, wodurch diese gekühlt werden. Die Luftmenge wird über mit
Klappen versehene Öffnungen
kontrolliert, die auf den Seiten der Lufterfassungsvorrichtung liegen
und als Abzweigleitungen (engt. bypass) dienen. Diese Vorrichtung
erfordert große Änderungen
an der Zelle und gestattet es nicht, die Kontrolle unabhängig von
der Kühlung
vorzunehmen, da für
die regelmäßigen Eingriffe
im Bereich der Zelle die Abdeckhauben der Lufterfassungsvorrichtung
geöffnet
werden müssen, was
die Wirkung der Klappen beeinträchtigt.
-
Da die Anmelderin das Fehlen zufriedenstellender
bekannter Lösungen
feststellte, machte sie es sich zur Aufgabe, effiziente und adaptierbare
Mittel zur Abführung
und Dissipation der von der Elektrolysezelle produzierten Wärme zu finden,
die sich leicht montieren lassen und keine großen Änderungen an der Zelle und
insbesondere an der Wanne und auch keinen großen Unterbau erfordern. Im
Hinblick auf einen Einsatz sowohl in existierenden Werken als auch in
neuen Werken suchte die Anmelderin insbesondere nach Mitteln, die
es ermöglichen,
die Leistung der Zellen zu ändern,
die sich leicht an unterschiedliche Zellentypen oder an unterschiedliche
Funktionsarten eines gleichen Zellentyps anpassen und die für Industrieanlagen
mit mehreren in Serie geschalteten Zellen geeignet sind.
-
Gegenstände der
Erfindung
-
Erster Gegenstand der Erfindung ist
eine Elektrolysezelle für
die Herstellung von Aluminium durch das Elektrolyseverfahren von
Hall und Héroult, welche
Zelle Luftkühlmittel
mit lokalisierten und verteilten Luftstrahlen aufweist.
-
Zweiter Gegenstand der Erfindung
ist ein Werk zur Herstellung von Aluminium durch das Elektrolyseverfahren
von Hall und Héroult,
welches Werk dadurch gekennzeichnet ist, dass es erfindungsgemäße Zellen
aufweist.
-
Beschreibung
der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle für die Herstellung
von Aluminium durch das Elektrolyseverfahren von Hall und Héroult
umfasst eine Stahlwanne, Innenauskleidungselemente und eine Kathodenanordnung
und ist dadurch gekennzeichnet, dass sie Luftkühlmittel mit lokalisierten
Luftstrahlen aufweist, die um die Wanne herum verteilt sind.
-
Erfindungsgemäß wird somit die Luft geblasen,
d. h. es handelt sich um ein offenes System, bei dem der Luftstrom
verloren geht. Der auf die Oberfläche bewegte Luftstrom verdünnt sich
danach in der Umgebungsluft, so dass zur Kühlung des Luftstroms, der sich
beim Kontakt mit den Wänden
erwärmt
hat, keine Spezialmittel zugeben werden brauchen.
-
Die so auf der Wanne auf einer relativ
kleinen Fläche
auftreffende Luft in Form von lokalisierten Luftstrahlen, d. h.
die Luftbewegung in Form von weitgehend gerichteten und örtlich begrenzten
Luftströmen
sorgt für
eine wirksame Kühlung
der Zellenwand an bestimmten Stellen. Dabei sind die Luftstrahlen
um die Wanne herum verteilt, damit die prioritären Kühlzonen auf der Wannenfläche festgelegt werden,
wobei diese Zonen vorteilhaft nach dem Wärmeprofil der Zelle bestimmt
werden, um insbesondere die globale Wirksamkeit der Kühlung zu
erhöhen.
-
Die Luftkühlmittel sind insbesondere
dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Abgabe von Luft aufweisen,
um die Wanne zu kühlen,
d. h. um die von der Zelle produzierte Wärme im Bereich der Wanne abzuführen und
zu dissipieren, wobei diese Mittel lokalisierte Luftstrahlen bilden,
und dass sie Mittel aufweisen, um die Luftstrahlen gemäß einer bestimmten
Verteilung um die Wanne herum zu verteilen.
-
Die Erfindung ermöglicht somit die Kontrolle bzw.
die Modulierung der Elektrolysezellenleistung durch Zuweisung oder
Zufügung
effizienter und adaptierbarer Kühleinrichtungen,
die eventuell die Form einer festen oder variablen zusätzlichen
Kühlleistung zur
Nominalleistung annehmen kann. Die Erfindung bietet somit die Möglichkeit,
die Leistung jeder Zelle individuell zu ändern.
-
Der Luftdurchsatz der erfindungsgemäßen Luftkühlmittel
kann variabel sein, um eine feinere Kontrolle der Kühlung, eventuell
sogar eine Regelung der Kühlung
zu ermöglichen.
Es ist ebenfalls von Vorteil, dass die erfindungsgemäßen Mittel
in die Regelungssysteme, mit denen moderne Elektrolysezellen ausgestattet
sind, integriert werden können.
Sie können
dann über
das Regelungssystem der Zelle kontrolliert oder sogar gesteuert
werden, so dass sich der Wärmefluss
effizienter und eventuell automatisiert regulieren lässt.
-
Die Zelle kann zusätzliche
Luftkühlmittel
aufweisen, wie zum Beispiel statische Luftkühlmittel.
-
Die Luftkühlmittel sind eventuell lösbar, d.
h. sie können
leicht in die Zelle eingebracht oder aus der Zelle herausgenommen
werden, in bestimmten Fällen
selbst dann, wenn die Zelle in Betrieb ist. So können die Mittel zum Beispiel
bei der Reparatur einer Zelle ganz oder zum Teil herausgenommen
werden, was den Zugang zur Wanne und den Wartungseingriff erleichtert.
-
Bei bestimmten Anwendungen kann es
vorteilhaft sein, die erfindungsgemäßen Luftkühlmittel in Form einer ganz
oder teilweise autonomen Kühlvorrichtung
zu montieren. Eine solche Montage kann dann zu einer globaleren
Gestaltung und einer leichteren Bedienung führen. Der gesamte Luftdurchsatz kann
dabei verstellbar sein.
-
Nach der bevorzugten Ausführungsart
der Erfindung umfassen die Luftkühlmittel
Luftverteilungsmittel, um den Luftstrom um die Wanne herum zu verteilen,
ein Luftfördermittel
zum Fördern
der Luft in die Luftverteilungsmittel und Mittel zur lokalisierten Abgabe
von Luft, um die Luft lokalisiert in Form von Strahlen zu bewegen,
wobei die Mittel zur lokalisierten Abgabe von Luft an bestimmten
Stellen der Wanne angeordnet sind. Die Luftverteilungsmittel umfassen
vorzugsweise Leitungssysteme wie Rohrleitungen. Die Mittel zur lokalisierten
Abgabe von Luft können
Stutzen, Luftauswerfer, Luftstrahlpumpen, Düsen oder Rohre sein. Sie sind
vorteilhaft längs
der Leitungssysteme verteilt. Der Luftdurchsatz des Luftfördermittels
kann verstellbar sein. Der Luftdurchsatz eines oder mehrerer der
Mittel zur lokalisierten Abgabe von Luft kann ebenfalls individuell
verstellbar sein.
-
Das Werk zur Herstellung von Aluminium durch
das Elektrolyseverfahren von Hall und Héroult gemäß dem zweiten Gegenstand der
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es Zellen gemäß dem ersten
Gegenstand der Erfindung aufweist. Dabei können die Zellen individuell
mit den erfindungsgemäßen Luftkühlmitteln
ausgestattet sein.
-
Die Zellen können individuell mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
ausgestattet sein, die eventuell zentral kontrolliert werden kann.
-
In den Elektrolysewerken sind die
Elektrolysezellen in der Regel gruppiert oder in Reihen angeordnet.
In diesen Fällen
können
die Zellen vorteilhaft mit den erfindungsgemäßen Luftkühlmitteln ausgestattet werden,
die jeweils ganz oder zum Teil von zwei oder mehreren Zellen genutzt
werden, d. h. dass zwei oder mehrere Zellen eines der Luftkühlmittel
gemeinsam nutzen. Insbesondere ist es in bestimmten Fällen vorteilhaft,
wenn ein Luftfördermittel von
zwei oder mehreren Zellen genutzt werden kann.
-
Beschreibung
der Figuren
-
1 ist
eine schematisierte Querschnittsdarstellung einer Elektrolysezelle
mit zu einer Kühlvorrichtung
zusammenmontierten Luftkühlmitteln nach
einer bevorzugten Ausführungsart
der Erfindung.
-
2 ist
eine schematisierte Seitenansicht einer Elektrolysezelle nach der
erfindungsgemäßen Ausführungsart
der 1.
-
3 ist
eine schematisierte Aufsicht auf eine Elektrolysezelle nach der
erfindungsgemäßen Ausführungsart
der 1.
-
4 zeigt
nicht einschränkend
Varianten der Erfindung, bei denen die Leitungssysteme die Elektrolysezelle
ganz (b) oder zum Teil (a) umschließen.
-
Die 5 und 6 zeigen nicht einschränkend Varianten
der Erfindung, bei denen ein gleiches Luftfördermittel von mehr als einer
Zelle genutzt wird.
-
Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle (1) für die Herstellung
von Aluminium durch das Elektrolyseverfahren von Hall und Héroult
umfasst eine Wanne (2) aus Stahl, Innenauskleidungselemente
(3) und eine Kathodenanordnung (4) sowie Luftkühlmittel
mit lokalisierten Luftstrahlen, die um die Wanne (2) herum
verteilt sind.
-
Bei den Innenauskleidungselementen
(3) handelt es sich gewöhnlich
um Blöcke
aus feuerfestem Material, die Wärmeisolierungen
sein können. Die
Kathodenanordnung (4) weist Stromschienen (9) auf,
an denen die elektrischen Leiter für die Stromzuführung befestigt
sind. Die Auskleidungselemente und die Kathodenanordnung bilden
einen Tiegel innerhalb der Zelle, der bei der Beschickung der Zelle den
schmelzflüssigen
Elektrolyten (7) und die Flüssigmetallschicht (6)
aufnimmt. Die Anoden (11) ragen teilweise in den schmelzflüssigen Elektrolyten
(7) hinein. Der schmelzflüssige Elektrolyt enthält gelöstes Aluminiumoxid
und auf der flüssigen
Elektrolytschicht liegt normalerweise eine Aluminiumoxidschicht
(8).
-
Das im Zuge der Elektrolyse erzeugte
Aluminiummetall (6) sammelt sich am Boden der Zelle an, so
dass zwischen dem flüssigen
Metall (6) und dem Kryolithbad (7) eine relativ
scharfe Grenzfläche
entsteht. Die Lage dieser Grenzfläche Bad-Metall ändert sich
im Laufe der Zeit: sie steigt auf, je mehr Schmelze sich am Boden
der Zelle ansammelt, und sinkt ab, wenn die Schmelze aus der Zelle
abgezogen wird.
-
Der Betrieb der Zelle erfolgt generell über die Kontrolle
mehrerer Parameter, wie zum Beispiel die Oxidkonzentration des Elektrolyten,
die Temperatur im Elektrolysebad, die Gesamthöhe des Bades oder die Position
der Anoden. In der Regel wird versucht, an den Seitenwänden (12)
des Tiegels, die mit dem schmelzflüssigen Elektrolyten (7)
und der Flüssigmetallschicht
(6) in Kontakt stehen, einen Randansatz (5) aus
erstarrtem Kryolith zu bilden. Diese Wände bestehen oft aus Randplatten
aus Kohlenstoffmaterial oder Material auf Basis von Kohlenstoffverbindungen,
wie zum Beispiel Feuerfestmaterial auf Basis von SiC, und Tiegelglasurpasten.
Um die Effizienz der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zu erhöhen, können die
Seitenwände
vorgeformte, vorzugsweise homogene Blöcke oder Seiten aus einem Werkstoff mit
hoher Wärmeleitfähigkeit
aufweisen, welche Wärmeleitfähigkeit
wenigstens höher
ist als die der Tiegelglasurpaste und besonders bevorzugt wenigstens der
der normalerweise verwendeten Randplatten entspricht, zum Beispiel
einem Werkstoff auf SiC-Basis.
-
Vorzugsweise besitzt die Zelle zusätzlich eine
Abgaserfassungsvorrichtung zur Erfassung und Wiederverwertung der
vom Elektrolyten während
der Elektrolyse abgegebenen Abgase. Die Abgaserfassungsvorrichtung
weist auf der gesamten Zelle eine Abdeckung (10) auf mit
in der Regel sich öffnenden Hauben
und Zugängen.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart der
Erfindung umfassen die Luftkühlmittel
Luftleitungsmittel (28), wie zum Beispiel Luftleitungen (21–24),
ein Luftfördermittel
(25) zum Fördern
von Luft in die Luftleitungsmittel sowie Mittel zur lokalisierten
Abgabe von Luft (27), um die Luft in Form von lokalisierten
Strahlen abzugeben. Diese Mittel bilden vorzugsweise eine Kühlvorrichtung
(20).
-
Die Luftleitungsmittel (28)
können
durch verschiedene Maßnahmen
in Position gehalten werden. Insbesondere können sie an den Struktur- oder
Verstärkungselementen,
zum Beispiel den Aussteifungen der Zelle befestigt sein, die zu
diesem Zweck entsprechend modifiziert oder adaptiert werden können. Die
Luftleitungsmittel (28) können auch an der Wanne angebaut
sein oder diese anliegend berühren oder
auch am oberen Wannenrand befestigt sein.
-
Der Luftdurchsatz der Vorrichtung
(20) kann vorteilhaft einstellbar sein, beispielsweise
mit Hilfe von Ventilen oder durch eine Veränderung der Förderleistung
des Luftfördermittels
(25). Auch der Luftdurchsatz eines oder mehrerer der Mittel
zur lokalisierten Luftabgabe kann – eventuell individuell – eingestellt
werden, gegebenenfalls mit der Möglichkeit, den
Luftstrom bestimmter Mittel ganz abzustellen. In bestimmten Fällen kann
die Luft umgewälzt
werden.
-
Die Luftkühlmittel bzw. die Kühlvorrichtung nach
der Erfindung sind eventuell ganz oder zum Teil abnehmbar. Insbesondere
die Rohrleitungen können leicht
ausgebaut und transportiert werden, hauptsächlich aufgrund ihrer Ausführung als
Rohrabschnitte und geeigneter Verbindungsmittel.
-
Die in die Luftleitungsmittel geförderte Luft wird
an bestimmten Stellen mit Mitteln zur lokalisierten Luftabgabe (27),
die vorteilhaft längs
der Luftleitungsmittel verteilt sind, auf die Wände der Wanne geblasen. Die
Mittel zur lokalisierten Luftabgabe brauchen nicht gleichmäßig auf
der Wannenfläche verteilt
zu sein; es kann mitunter ratsam sein, sie in bestimmten spezifischen
Bereichen zu konzentrieren.
-
Durch die Mittel zur lokalisierten
Luftabgabe (27) kann der Luftstrom zu präzisen Stellen
der Wanne geleitet werden, beispielsweise in Höhe der flüssigen Elektrolytschicht (7).
Dabei ist es vorteilhaft, wenn eines oder mehrere dieser Mittel
(27) verstellbar sind. Die Mittel zur lokalisierten Luftabgabe
(27) stoßen
die Luft mit einer Geschwindigkeit aus, der sog. Ausströmgeschwindigkeit,
die bevorzugt zwischen 10 und 100 m/s und besonders bevorzugt zwischen
20 und 70 m/s liegt.
-
Die Zahl, die Position und die Dimensionen der
Mittel zur lokalisierten Luftabgabe (27), die Leistung
des Luftfördermittels
(25) sowie die Ausgestaltung und die Dimensionen der Luftleitungsmittel
(21 bis 24) werden so gewählt, dass der Luftdurchsatz
für eine
effiziente Kühlung
ausreicht und eine bestimmte Kühlleistung
im Bereich ausgewählter
Stellen gewährleistet
wird, insbesondere unter Berücksichtigung
der Aeraulik der Anlage.
-
Das Luftfördermittel (25) kann
ein Lüfter
sein, der Umgebungsluft ausstößt, oder
ein Druckluftgebläse,
z. B. eine Gebläsepumpe,
oder ein druckentlastetes Druckluftsystem oder ein Überdruckluftsystem.
-
Wegen der elektrischen Sicherheit
ist es zuweilen ratsam, das Luftfördermittel (25) vom
Rest der Vorrichtung mit Hilfe eines elektrischen Isolationsmittels
(26), das ein Rohrabschnitt aus elektrischem Isolationsmaterial
sein kann, elektrisch zu isolieren.
-
Die Rohrleitungen (21–24)
können
aus metallischen, vorzugsweise nicht magnetischen Werkstoffen (wie
nicht magnetischer, nicht rostender Stahl oder Aluminium) oder aus
Isolierstoffen (wie Glasfaser) bestehen oder auch aus einer Kombination
daraus (zum Beispiel ein Metallrohr mit einem Mantelrohr).
-
Die Kühlvorrichtung (20)
kann eventuell über das
Hauptregelungssystem der Zelle gesteuert werden, um eine effizientere
zentrale Gesamtregelung zu gewährleisten.
-
Die Zelle kann auch mit zusätzlichen
Mitteln zur Kühlung
versehen werden, insbesondere mit statischen Mitteln wie Kühlrippen
oder dergleichen. Um die globale Effizienz der Mittel (oder der
Vorrichtung) zu erhöhen,
ist es vorteilhaft, in bestimmten Fällen und/oder an bestimmten
Stellen der Zelle die Wirkung der Kühlvorrichtung mit der Wirkung
der zusätzlichen
Mittel zu kombinieren.
-
Nach einer beispielsweise in den 1 bis 3 dargestellten Variante der Erfindung
bilden die Luftleitungsmittel Zweige, d. h. sie sind so aufgebaut, dass
sich eine Hauptleitung (21) in horizontale Zweige unter
der Zelle (22), vertikale Zweige auf den Seiten und dem
Oberteil der Zelle (23) und horizontale Zweige auf den
Seiten und dem Oberteil der Zelle (24) verzweigt. Diese
Ausgestaltung gewährleistet ein
zufriedenstellendes Luftgleichgewicht im Leitungssystem und erleichtert
die Montage der Kühlvorrichtung.
Dabei können
insbesondere die vertikalen Zweige zwischen den Kathodenschienen
(9) angeordnet sein.
-
Nach einer beispielsweise in 4 dargestellten Variante
der Erfindung umgeben oder umschließen die Luftleitungsmittel
(28) die Wanne (2) der Elektrolysezelle ganz oder
zum Teil.
-
Nach in 5 und 6 dargestellten
Varianten der Erfindung ist ein einziges Luftfördermittel (25) für mehr als
eine Zelle vorgesehen, genauer gesagt für zwei oder mehrere Zellen
eines Werkes. Dabei verteilt das Luftfördermittel (25) den
Luftstrom über
ein Leitungssystem (29), welches eine gemeinsame Hauptleitung
(30) und eine Verbindungsstelle (31) für jede Zelle
aufweist. Die Verbindungsstellen sind eventuell mit Ventilen versehen,
um jede Zelle einzeln abzusperren, und mit Entlüftungen, um die Verteilung
der Luftströme
wieder auszugleichen. Diese Ventile und Entlüftungen sind insbesondere bei
Arbeiten an einer besonderen Zelle bzw. an bestimmten Zellen des
Zellensystems günstig,
da sie es ermöglichen,
die betreffende Zelle bzw. die betreffenden Zellen abzusperren und
gleichzeitig ausreichende Luftmengen für die anderen an das Leitungssystem
angeschlossenen Zellen aufrechtzuerhalten.
-
In einem Werk werden die Luftkühlmittel
vorteilhaft mit einem gemeinsamen Regelungssystem für mehrere
Zellen kontrolliert oder gesteuert. Dabei kann typischerweise jede
Zelle, die eigene Luftkühlmittel
besitzt, bzw. jede Gruppe von Zellen mit Luftkühlmitteln, von denen Teile
gemeinsam genutzt werden (insbesondere das Fördermittel), mit einer sog. Hauptregelung
gesteuert werden, und sämtliche
Zellen bzw. Gruppen von Zellen einer besonderen Elektrolysehalle
des Werkes können
global mit einer sog. Zusatzregelung gesteuert werden.
-
Beispiel
-
An 300 kA-Elektrolysezellen wurden
mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
mit folgenden spezifischen Merkmalen Versuche durchgeführt.
-
Mit Bezug auf 1 bis 3 verläuft eine Hauptleitung
(21) in Längsrichtung
unter der Wanne (2) bis etwa zur Mitte der Zelle und teilt
sich dort in drei quer zueinander angeordnete Zweige (22a, 22b, 22c)
geringeren Querschnitts als die Hauptleitung. Dabei verläuft ein
Längszweig
(22a) unter der Wanne bis zu deren anderen Ende, bildet
dort einen vertikalen Zweig (23a), der am Zellenoberteil
entlang bis ungefähr
in Höhe
der Randplatte nach oben läuft
und sich dann in zwei horizontale Abzweige (24a, 24a') teilt, die
bis zu den Seitenrändern
der Zelle reichen. Die beiden anderen Zweige (22b, 22c),
die Querzweige, erstrecken sich bis zu den Seiten der Wanne, bilden
dort vertikale Zweige (23b, 23c), die längs der
Wanne bis ungefähr
in Höhe
der Randplatte nach oben laufen und sich dann auf jeder Seite der Zelle
in zwei horizontale Abzweige (24b, 24b', 24c, 24c') teilen, die
bis zum Oberteil der Zelle reichen. Dabei ist ein vertikaler Zweig
(23c), entsprechend dem Zweig (23a), direkt mit
der Hauptleitung verbunden und teilt sich ebenfalls in zwei horizontale
Abzweige (24c, 24c').
-
An den Abzweigen entlang wurden Düsen (27)
gleichmäßig angeordnet,
je nach Versuch 5 bis 8 Düsen
an jedem Zellenoberteil und 15 bis 20 Düsen an jeder Zellenwand. Die
Düsen wurden
approximativ auf den in den meisten Versuchen theoretischen Bad-Metall-Spiegel
gerichtet. In einigen Versuchen wurden bestimmte Düsen auf
Strukturverstärkungselemente
der Wanne gerichtet, die somit als Kühlrippen dienten. Die Rohrleitungen
und die Düsen
waren aus Stahl, zum Teil aus nicht rostendem Stahl.
-
Das Luftfördermittel (25) war
in einigen Versuchen ein mechanischer Lüfter und in anderen Versuchen
eine Luftstrahlpumpe. Die Kühlvorrichtungen waren
mit Mitteln zur Änderung
des Luftdurchsatzes versehen.
-
Die Versuche zeigten, dass bei Luftausströmgeschwindigkeiten
am Austritt der Düsen
von etwa 10 m/s bis etwa 100 m/s die Kühlvorrichtung effizient bleibt.
Bei Geschwindigkeiten unter 10 m/s nahm die Wirksamkeit der Vorrichtung
stark ab, ihre Wirkung wurde schließlich unbedeutend. Geschwindigkeiten über 100
m/s führten
zu sehr großen
Druckverlusten, die Fördermittel
erfordert hätten,
deren Leistung und/oder Kosten ein Hindernis darstellen. Die besten
Ergebnisse wurden mit Ausströmgeschwindigkeiten
zwischen 20 und 70 m/s erzielt.
-
Temperaturmessungen mit Hilfe von
Thermoelementen und Pyrometern zeigten, dass durch die Kühlvorrichtung
die mittlere Temperatur in Höhe der
Seitenwände
um 50 bis 100°C
herabgesetzt werden konnte. Die Regelung der Kühlung gelang auf einfache Weise
durch Änderung
des Luftdurchsatzes.
-
Die Anmelderin stellte somit überraschenderweise
fest, dass sich mit der erfindungsgemäßen Luftkühlung zufriedenstellende Kühlraten
erzielen lassen, und zwar ohne Einsatz von Fördermitteln und Gebläsen oder
Rohrleitungen, die übertrieben
groß oder
disproportioniert sind und/oder zu hohe oder sogar hinderliche Investitionen
und/oder Betriebskosten erfordern.
-
Weiterhin zeigten diese Versuche,
dass sich die auf den Wänden
der Zelle auftreffende und dabei erwärmende Luft relativ schnell
in der Umgebungsluft verdünnt
und die Temperatur der Umgebungsluft nicht signifikant erhöht. Mit
anderen Worten: die Versuche zeigten keine Umgebungstemperaturwerte auf,
die von den Werten, die üblicherweise
in der Nähe
der Zellen älterer
Technik beobachtet werden, in signifikanter Weise abweichen, selbst
wenn die Umgebungstemperatur im Sommer extreme Werte erreicht.
-
Des Weiteren wurde überraschenderweise festgestellt,
dass der Geräuschpegel
der Vorrichtung besonders niedrig ist.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Erfindungsgemäß ermöglichen die Luftkühlmittel
die Abführung
und Dissipation der in der Elektrolysezelle produzierten Wärmeenergie
durch eine optimale Kontrolle bestimmter Wärmeflüsse, welche Kontrolle an unterschiedliche
Klimabedingungen und/oder Betriebsbedingungen der Zelle, die von
den Nenn- oder Standardbedingungen
in signifikanter Weise abweichen können, angepasst werden kann. Die
Luftkühlmittel
ermöglichen
zudem eine präzise Kontrolle
der Bildung des Randansatzes aus erstarrtem Kryolith.
-
Die erfindungsgemäßen Luftkühlmittel, bzw. die Kühlvorrichtung,
lassen sich ohne weiteres an alle Zellenarten und an unterschiedliche
Umgebungen anpassen. Sie lassen sich leicht auf existierende Zellen
montieren, insbesondere bei deren Überholung, beim Einbau einer
Wärmeregelung
und/oder bei Änderung
der Nennstromstärke.
Die Erfindung erleichtert ganz besonders die Veränderung der Zellenleistung,
wobei zum Beispiel technische, wirtschaftliche und/oder vertragliche
Zwänge
berücksichtigt
werden können.
Insbesondere ermöglicht
die Erfindung eine Erhöhung
der Nennstromstärke
existierender Zellen, ohne dass dies eine vorzeitige Abnutzung der
Zellen zur Folge hat.
-
In einem erfindungsgemäßen Elektrolysewerk
lässt sich
dadurch, dass die Luftkühlmittel
bzw. die Kühlvorrichtung
sowie deren Betriebsbedingungen von einer Zelle auf die andere angepasst
werden können,
der Betrieb mehrerer Zellen auf einmal oder sogar eines kompletten
Zellensystems optimieren, so dass vor allem der Arbeitspunkt der
Zellen gleichgeschaltet werden kann. Insbesondere ermöglicht die Erfindung
eine individualisierte Wärmekontrolle
der Zellen eines Werkes, was sich bei Werken mit hoher Produktivität oftmals
als notwendig erweist. Dies ist zum Beispiel bei den Übergangsphasen
der Fall, die dann auftreten, wenn bestimmte Zellen einer gleichen
Serie neue Ausmauerungen oder Ausmauerungen haben, die vom Rest
der Serie abweichen.
-
Die Erfindung ermöglicht auch die Modernisierung
existierender Werke ohne Eingriffe in den Bereich des Unterbaus,
die für
solche Maßnahmen
hinderlich wären.
-
Durch die Erfindung kann außerdem die Standzeit
einer Altzelle verlängert
werden, deren Wanne anormal heiße
Punkte aufweist.