EP0047227A2 - Vorrichtung zum Regulieren des Wärmeflusses einer Aluminiumschmelzflusselektrolysezelle und Verfahren zum Betrieb dieser Zelle - Google Patents

Vorrichtung zum Regulieren des Wärmeflusses einer Aluminiumschmelzflusselektrolysezelle und Verfahren zum Betrieb dieser Zelle Download PDF

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EP0047227A2
EP0047227A2 EP81810345A EP81810345A EP0047227A2 EP 0047227 A2 EP0047227 A2 EP 0047227A2 EP 81810345 A EP81810345 A EP 81810345A EP 81810345 A EP81810345 A EP 81810345A EP 0047227 A2 EP0047227 A2 EP 0047227A2
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EP
European Patent Office
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cell
heat
heat exchanger
normal value
aluminum
Prior art date
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Ceased
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EP81810345A
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English (en)
French (fr)
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EP0047227A3 (de
Inventor
Tibor Kugler
Hans-Anton Meier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alcan Holdings Switzerland AG
Original Assignee
Alusuisse Holdings AG
Schweizerische Aluminium AG
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Publication date
Application filed by Alusuisse Holdings AG, Schweizerische Aluminium AG filed Critical Alusuisse Holdings AG
Publication of EP0047227A2 publication Critical patent/EP0047227A2/de
Publication of EP0047227A3 publication Critical patent/EP0047227A3/de
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/20—Automatic control or regulation of cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
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    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
    • C25C3/085—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes characterised by its non electrically conducting heat insulating parts

Definitions

  • the invention relates to a device for regulating the heat flow of a melt flow electrolysis cell for the production of aluminum and a method for maintaining the thermal balance of this cell at any current strengths between 50 and 125% of the normal value of the cell current.
  • the electrolysis cell Under normal production conditions, the electrolysis cell is in thermal equilibrium, ie the ohmic produced in the cell with the direct electrolysis current Heat 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, the temperature of the electrolyte increases or decreases until a new thermal equilibrium has been established.
  • the temperature of the equilibrium state of the electrolytic cell can be influenced by adding heat or changing the amount of heat to be removed.
  • SU-PS 633 937 discloses a combination of heat extraction and supply, the circulation system being formed not only in the cathodic part but also on the anode of the Soederberg cell.
  • SU-PS 600 214 shows cooling tubes made of silicon carbide, which are arranged in the deposited metal. These tubes, through which a cooling medium flows, regulate the temperature of the electrolytic cell to a certain value, so the regulation is carried out from the outside, as in the preceding Russian patents.
  • the inventors have therefore set themselves the task of providing a device for regulating the heat flow of a melt flow electrolysis cell for the production of aluminum and a method for maintaining the thermal balance of this cell with a heat regulating device which transport a large amount of heat in a self-regulating manner and thus temporarily or permanently generate current intensities of Can withstand 50 - 125% of the normal value of the cell direct current without damage.
  • the heat pipes used according to the invention are known per se, for example from the magazine Chem.-Ing.-Tech. 50 (1978) No. 11, pages A654 ff.
  • the containers which are sealed in a vacuum-tight manner, have a capillary structure on the inside, which, for example, is sintered from textile or wire mesh, grooves Structures etc. can be formed.
  • the heat pipes are filled with a small amount of liquid as the heat transport medium until the capillary structure is just saturated. This liquid is in equilibrium with its vapor in the remaining interior of the heat pipe.
  • the liquid on the warm side evaporates, absorbing the heat of vaporization.
  • the steam flows to the other, cold side of the heat pipe and condenses there, giving off the heat of condensation to the cooling medium.
  • the condensate flows back to the warm side under the action of the capillary force.
  • a heat pipe essentially consists of three zones: an evaporation zone, an isolated adiabatic zone and a condensation zone.
  • each cell In the conventional production of aluminum by means of melt flow electrolysis, approximately 60% of the electrical energy supplied to the cell is lost as heat losses. About 60% of it escape upwards, 10% through the bottom and 30% through the side walls (including cathode bar connections).
  • each cell In the case of oversized cell isolation, each cell must first of all be better isolated upwards. This is done by pouring up to an additional ton of aluminum oxide onto the solidified electrolyte crust, which can double the insulating clay layer, for example.
  • the side and bottom areas are improved by arranging, for example, a thicker insulation layer in the cell structure.
  • the cathode bar ends can also be narrowed so that their heat radiation to the outside is reduced.
  • the ends of the heat pipes protruding from the cell advantageously have a surface serving as a heat exchanger, e.g. in a lamella form of a known type, which in turn is arranged in a metallic plate or in a channel through which a cooling or warming medium flows.
  • a heat exchanger e.g. in a lamella form of a known type
  • the medium emerging from the cooling channel and heated by heat exchangers is used, for example for heating purposes, either directly or via a store.
  • a lamellar heat exchanger is expediently attachable over the ends of a heat pipe. With this attachment, the effect of a heat pipe of simple shape is significantly increased because the surface serving for heat exchange is multiplied.
  • heat pipes with an alkali metal are preferably used as the heat transfer medium, sodium being used in particular for practical and economic reasons.
  • sodium being used in particular for practical and economic reasons.
  • an outflow of sodium into a cooling channel located outside the cell would be extremely dangerous because this metal reacts violently when it comes into contact with water.
  • a primary heat exchanger which protrudes from the electrolysis cell and is expediently provided with a lamellar attachment, is preferably created, which in turn is in engagement with a secondary heat exchanger.
  • the primary heat exchanger in particular a cooling circuit, is filled with a liquid organic coolant for higher temperatures which is compatible with sodium as well as with water and air, for example with DOWTHERM from the well-known chemical company DOW Inc ..
  • the primary heat exchanger can also consist of a metal block or a metal plate with good thermal conductivity. Water or air can be passed through the secondary heat exchanger, in particular a cooling channel.
  • melt flow electrolysis cell for the production of aluminum can be provided with heat pipes which pump heat from a heating medium into the cell.
  • the cell can be heated from the outside to such an extent that the temperature of the electrolyte remains above a critical value which prevents the complete solidification.
  • the object of maintaining the thermal equilibrium of a melt flow electrolysis cell for the production of aluminum at any current strengths between 50 and 125% of the normal value of the cell direct current is achieved according to the invention in that the current strength exceeds 70-80% of the normal value Heat withdrawn to a corresponding extent, whereas with an amperage between 50 and 70 - 80% of the normal value, the interpolar distance is increased or heat is supplied from another energy source.
  • the electrolysis cell is in thermal equilibrium with a current intensity reduced to 70-80% without heat dissipation.
  • the cathodic current density can be increased according to the invention in such a way that the same current intensity flows through the cell overall during normal operation.
  • the electrical energy supplied to the cell is reduced over a shorter or longer period, less heat is drawn off from the electrolysis cell, and the heat pipes act as variable thermal insulation. This allows the thermal equilibrium of the melt flow electrolysis cell to be restored in a self-regulating manner after a relatively short time.
  • the production of aluminum is normal at a level which is reduced in accordance with the reduced energy supply.
  • the invention allows the power supply to the electrolysis furnaces to be controlled in such a way that the power supply is reduced during the peak consumption of private households, but is increased during the night hours.
  • an electrolysis cell designed according to the invention can tolerate a current reduction of up to 50% if the interpolar distance is increased accordingly and / or heat is supplied from another energy source.
  • the change in temperature which occurs as a result of a decrease or increase in the current intensity in order to achieve the thermal equilibrium of the cell may only fluctuate within relatively narrow limits, for example ⁇ 10 ° C., because any change in temperature causes the side board formed from solidified electrolyte material to increase or decrease.
  • an aluminum melt flow electrolysis cell 10 which essentially consists of a steel tub 12, an insulating layer (not shown), a cathodic carbon block 14 with cathode bars 16 embedded therein, and anode blocks 18 with spades 20 and anode rods 22, is arranged on a base plate 24.
  • the liquid aluminum 26 On the bottom of the trough-shaped coal block 14 is the liquid aluminum 26, which is deposited during the electrolysis process.
  • the anodes 18 are immersed in the molten electrolyte 28 from above.
  • This electrolyte material has solidified into a solid crust 30 in the lateral and upper region. A layer of alumina 32 is heaped onto this crust and thus forms excellent thermal insulation.
  • the steel trough 12 In the lateral longitudinal area, the steel trough 12, the insulation layer and the outer area of the carbon block 14 are penetrated by heat pipes 34.
  • a lamellar heat exchanger with a large surface area is arranged in the outer region of the heat pipes 34.
  • the outer end of the heat pipe 34 in the present case with a heat exchanger 36, is arranged in a channel 38. This channel can be replaced by a metal block of good thermal conductivity, then no heat exchanger 36 is necessary.
  • M are cooled uss the electrolytic cell 10, the channel or the metal block 38 is initially cooled and the heat pipes 34 operate in the direction of arrow 40. must, however, the cell from a reason mentioned above, heat can be supplied, so the metal block 38 about the working temperature the electrolytic cell 10 is heated, the heat pipes then work in the opposite direction of the arrow 40.
  • Fig. 2 shows a heat pipe 34 which passes through the steel trough 12, the insulation 13 and partially the carbon bottom 14 of an electrolysis cell.
  • the liquid aluminum 26 lies on the bottom of the coal block 14.
  • a lamellar radiator attachment 42 is attached to the lower end of the heat pipe 34.
  • the lower end with the attachment 42 projects into a primary cooling channel 44 which is filled with an organic coolant 46.
  • This coolant is inert to alkali metals, especially sodium, even at high temperatures.
  • the lower area of the primary cooling channel 44 has a downwardly directed lamellar bulge 50, through which the organic coolant circulates in the direction of the arrow 48, around an extension 52 of the cap 42 designed as a partition.
  • the lamella-like lower part 50 of the primary cooling tube 44 in turn protrudes into a secondary cooling channel 54.
  • a conventional cooling medium 56 in particular air or water, flows through this secondary cooling channel 54.

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Abstract

Die verhältnismässig hohe Zufuhr an elektrischer Energie zu einer Aluminiumschmelzflusselektrolysezelle soll einen unfreiwilligen Unterbruch, beispielsweise durch einen Defekt, oder eine Reduktion bei Spitzenbelastungen durch die Privathaushalte unbeschadet überstehen.
Die Zellenisolation (13) zwischen Stahlwanne (12) und Kohlenauskleidung (14) wird bis zu 50 % verstärkt, und bis zur doppelten Menge Tonerde (32) wird auf die Elektrolytkruste (30) geschüttet. Mit einer Stirnseite blind im Zelleninnern eingebaute Wärmerohre (34) durchgreifen periphere Teile der Zelle (10) und enden in einem ausserhalb der Zelle angeordneten Wärmeaustauscher (38, 44).
Die Zelle ist bei 70 - 80 % des Normalwertes der Stromstärke ohne Wärmeabfuhr bzw. -zufuhr im thermischen Gleichgewicht. Bei höheren Stromstärken, insbesondere beim Normalwert wird dauernd Wärme abgezogen. Bei niedrigeren Werten wird die Interpolardistanz vergrössert bzw. aus einer anderen Energiequelle Wärme zugeführt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Regu- lieren des Wärmeflusses einer Schmelzflusselektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium und ein Verfahren zum Aufrechterhalten des thermischen Gleichgewichtes dieser Zelle bei beliebigen Stromstärken zwischen 50 und 125 % des Normalwertes des Zellenstromes.
  • Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse 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 Schmelzfluss an Aluminiumoxid. Bei einer unteren Konzentration von 1 - 2 Gew.-% Aluminiumoxid im Elektrolyten kommt es zum Anodeneffekt, der sich in einer Spannungserhöhung von beispielsweise 4 - 4,5 V auf 30 V und darüber auswirkt. Spätestens dann muss die Kruste eingeschlagen und die Aluminiumoxidkonzentration durch Zugabe von neuem Aluminiumoxid (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 erhöht oder erniedrigt, so erhöht oder erniedrigt sich die Temperatur des Elektrolyten, bis sich ein neues thermisches Gleichgewicht eingestellt hat.
  • Bei konstanter Stromstärke kann die Temperatur des Gleichgewichtszustandes der Elektrolysezelle beeinflusst werden, indem Wärme zugeführt oder die abzuführende Wärmemenge verändert wird.
  • Auf dem Gebiet der Aluminiumelektrolyse ist eine von aussen gesteuerte Kühlung mittels geschlossener Wärmekonvektionskreisläufe bekannt. Nach den SU-PS 605 865 und 663 760 wird einer Elektrolysezelle seitlich und nach unten mit einem solchen Zirkulationssystem über Ventile und Rohre Wärme entzogen.
  • Die SU-PS 633 937 offenbart eine Kombination von Wärmeabzug und -zufuhr, wobei das Zirkulationssystem nicht nur im kathodischen Teil, sondern auch an der Anode der Soederbergzelle ausgebildet ist.
  • In der SU-PS 600 214 werden Kühlrohre aus Siliziumkarbid gezeigt, welche im abgeschiedenen Metall angeordnet sind. Diese von einem Kühlmedium durchflossenen Rohre regeln die Temperatur der Elektrolysezelle auf einen bestimmten Wert, die Regelung erfolgt also - wie in den vorstehenden russischen Patentschriften - von aussen.
  • Die bekannten Zirkulationssysteme, bei welchen Wärme mittels Konvektion zu- oder abgeführt wird, weisen folgende Nachteile auf:
    • - Die Transportkapazität ist nicht genügend, das System ist 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.
  • Die Erfinder haben sich deshalb die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung zum Regulieren des Wärmeflusses einer Schmelzflusselektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium und ein Verfahren zum Aufrechterhalten des thermischen Gleichgewichtes dieser Zelle mit einer Wärmereguliervorrichtung zu schaffen, welche selbstregulierend eine grosse Wärmemenge transportieren und so zeitweilige oder dauernde Stromstärken von 50 - 125 % des Normalwertes des Zellengleichstromes schadlos überstehen kann.
  • In bezug auf die Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäss gelöst durch
    • - eine verstärkt ausgestaltete Zellenisolation, gebildet durch eine bis zu 50 % dickere Isolationsschicht zwischen Stahlwanne und Kohleauskleidung und bis zur doppelten Menge Tonerde auf der Kruste aus erstarrtem Elektrolytmaterial, und
    • - mit einer Stirnseite blind im Zelleninnern eingebaute Wärmerohre, welche ein reversibel verdampf- und kondensierbares Wärmeträgermedium enthalten, periphere Teile der Zelle durchgreifen und im ausserhalb der Zelle angeordneten Wärmeaustauscher enden.
  • Die erfindungsgemäss eingesetzten Wärmerohre sind an sich bekannt, beispielsweise aus der Zeitschrift Chem.-Ing.-Tech. 50 (1978) Nr. 11, Seiten A654 ff. Die vakuumdicht ver- ) schlossenen Behälter haben im Innern eine Kapillarstruktur, die z.B. aus Textil- oder Drahtgeweben, Rillen, gesinterten Strukturen usw. gebildet sein kann. Nach dem Evakuieren werden die Wärmerohre mit einer geringen Menge Flüssigkeit als Wärmetransportmedium soweit gefüllt, dass die Kapillarstruktur gerade gesättigt ist. Diese Flüssigkeit steht mit ihrem Dampf im übrigen zur Verfügung stehenden Innenraum des Wärmerohres im Gleichgewicht.
  • Wird das eine Ende des Rohres erwärmt und das andere Ende gekühlt, so verdampft die Flüssigkeit auf der warmen Seite unter Aufnahme der Verdampfungswärme. Der Dampf strömt auf die andere, kalte Seite des Wärmerohres und kondensiert dort unter Abgabe der Kondensationswärme an das Kühlmedium. Das Kondensat strömt unter Wirkung der Kapillarkraft wieder auf die warme Seite zurück.
  • Ein Wärmerohr besteht also im wesentlichen aus drei Zonen: Einer Verdampfungszone, einer isolierten Adiabatenzone und einer Kondensationszone.
  • Bei der konventionellen Herstellung von Aluminium mittels Schmelzflusselektrolyse gehen ungefähr 60 % der der Zelle zugeführten elektrischen Energie als Wärmeverluste verloren. Davon entweichen ca. 60 % nach oben, 10 % durch den Boden nach unten und 30 % durch die Seitenwände (inklusive Kathodenbarrenanschlüsse). Bei einer überdimensionalen Zellenisolation muss also jede Zelle in erster Linie nach oben besser isoliert werden. Dies erfolgt durch Aufschütten von bis zu je einer zusätzlichen Tonne Aluminiumoxid auf die erstarrte Elektrolytkruste, wodurch die isolierende Tonerdeschicht beispielsweise verdoppelt werden kann. Der Seiten- und Bodenbereich werden durch Anordnung einer beispielsweise dickeren Isolationsschicht im Zellenaufbau verbessert. Weiter können die Kathodenbarrenenden eingeengt werden, damit ihre Wärmeabstrahlung nach aussen vermindert wird.
  • Der Einbau von Wärmerohren in Aluminiumelektrolysezellen bietet sich insbesondere an folgenden Orten an:
    • - Im Kohleboden der Zelle werden Wärmerohre etwa vertikal angeordnet, wobei die obere Stirnseite vorzugsweise auf gleicher Höhe wie die obere Seitenfläche der Kathodenbarren endet. Beim Kühlen der Zelle liegt die Verdampfungszone des Wärmerohres höher als dessen Kondensationszone, es muss deshalb darauf geachtet werden, dass das Wärmerohr nur so lang ist, dass die Kapillarkraft grösser als die Schwerkraft bleibt (hydrostatische Druckdifferenz). Beim Erwärmen der Zelle liegt die Verdampfungszone unter der Kondensationszone, Schwerkraft und Kapillarkraft wirken in der gleichen Richtung.
    • - Auch in den Kathodenbarren, also horizontal, können Wärmerohre angeordnet werden. Damit der elektrische Widerstand der Zelle nicht erhöht wird, muss der Barrenquerschnitt entsprechend angepasst werden.
    • - Weiter können Wärmerohre in die seitliche Kohleauskleidung eingeführt werden, wobei sie vorzugsweise ungefähr horizontal angeordnet sind.
    • - Schliesslich können die Wärmerohre in den Anodenstangen zu den Anodenkörpern führen. Diese Variante kann insbesondere beim Einsatz von unverbrauchbaren Anoden zweckmässig sein. Hier wirken Schwer- und Kapillarkraft bei der Wärmezufuhr in entgegengesetzter Richtung.
  • Die Einführung von Wärmerohren in die Zelle von oben ist schwierig, weil im allgemeinen der grösste Teil der Zellenoberseite von den Anoden aus Kohlenstoff bedeckt wird, welche kontinuierlich nachgeschoben und nach wenigen Wochen ausgewechselt werden müssen. Bei der Zellenbedienung muss die Kruste mindestens teilweise eingeschlagen werden, was die Anordnung von Wärmerohren neben den Anoden erschwert. Ueberdies ist die Anordnung eines Kühlmediums oberhalb der Zelle wesentlich schwieriger als daneben oder darunter.
  • Die aus der Zelle hinausragenden Enden der Wärmerohre haben vorteilhaft eine als Wärmeaustauscher dienende Fläche, z.B. in Lamellenform von bekannter Bauart, welche ihrerseits in einer metallischen Platte oder in einem Kanal angeordnet ist, der von einem kühlenden oder wärmenden Medium durchflossen wird. Beim Kühlen der Zelle ist es durchaus möglich, dass das aus dem Kühlkanal austretende, von Wärmeaustauschern erwärmte Medium verwertet wird, beispielsweise für Heizzwecke, sei es direkt oder über einen Speicher.
  • Ein lamellenartiger Wärmeaustauscher ist zweckmässig über die Enden eines Wärmerohres aufsteckbar. Mit diesem Aufsatz wird die Wirkung eines Wärmerohres von einfacher Form wesentlich erhöht, weil die dem Wärmeaustausch dienende Oberfläche vervielfacht wird.
  • Wegen der hohen Temperaturen in Aluminiumschmelzflusselektrolysezellen werden bevorzugt Wärmerohre mit einem Alkalimetall als Wärmeträger eingesetzt, wobei aus praktischen und wirtschaftlichen Gründen insbesondere Natrium Anwendung findet. Bei einem allfälligen Defekt des Wärmerohres würde es keine Rolle spielen, wenn die verhältnismässig kleine, im Wärmerohr befindliche Menge von Natrium in die Elektrolysezelle gelangen würde. Dagegen wäre ein Ausfliessen von Natrium in einen ausserhalb der Zelle angeordneten Kühlkanal äussert gefährlich, weil dieses Metall beim Kontakt mit Wasser heftig reagiert.
  • Bei der Verwendung von Wärmerohren mit Natrium als Wärmetransportmedium bzw. Wärmeträger zum Kühlen von Aluminiumelektrolysezellen wird deshalb bevorzugt ein primärer, die aus der Elektrolysezelle hinausragenden, zweckmässig mit einem Lamellenaufsatz versehenen Wärmerohrenden umfassender Wärmeaustauscher geschaffen, welcher seinerseits mit einem sekundären Wärmeaustauscher in Eingriff steht. Der primäre Wärmeaustauscher, insbesondere ein Kühlkreislauf wird mit einem flüssigen organischen Kühlmittel für höhere Temperaturen, das sowohl mit Natrium als auch mit Wasser und Luft kompatibel ist, gefüllt, beispielsweise mit DOWTHERM der bekannten Chemiefirma DOW Inc.. Der primäre Wärmeaustauscher kann auch aus einem Metallblock bzw. einer Metallplatte mit guter Wärmeleitfähigkeit bestehen. Durch den sekundären Wärmeaustauscher, insbesondere einen Kühlkanal, kann Wasser oder Luft geleitet werden. Bei Verwendung eines primären und sekundären Wärmeaustauschers wirkt sich ein Defekt eines Wärmerohres nicht schädlich aus, weil das Natrium ausserhalb der Zelle nur mit dem organischen Kühlmittel, nicht aber mit Wasser oder Luft in Berührung kommt.
  • Wenn es die Wirtschaftlichkeit in bezug auf Installations-und Betriebskosten erlaubt, kann die Schmelzflusselektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium mit Wärmerohren versehen sein, die Wärme von einem Heizmedium in die Zelle hineinpumpen. Bei einem länger dauernden Stromausfall kann die Zelle von aussen in dem Masse beheizt werden, dass die Temperatur des Elektrolyten oberhalb eines kritischen, die die vollständige Erstarrung verhindernden Wertes bleibt.
  • In bezug auf das Verfahren wird die Aufgabe, das thermische Gleichgewicht einer Schmelzflusselektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium bei beliebigen Stromstärken zwischen 50 und 125 % des Normalwertes des Zellengleichstromes aufrecht zu erhalten, erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass bei einer 70 - 80 % des Normalwertes übersteigenden Stromstärke in entsprechendem Masse Wärme abgezogen, bei einer Stromstärke zwischen 50 und 70 - 80 % des Normalwertes dagegen die Interpolardistanz vergrössert bzw. aus einer anderen Energiequelle Wärme zugeführt wird.
  • Wegen der verstärkt ausgestalteten Zellenisolation wird beim Normalwert des Zellengleichstromes dauernd Wärme abgeführt. Je nach Ausgestaltung der überdimensionierten Zellenisolation ist die Elektrolysezelle bei auf 70 - 80 % reduzierter Stromstärke ohne Wärmeabfuhr im thermischen Gleichgewicht. Gegenüber einer normal isolierten Zelle kann die kathodische Stromdichte erfindungsgemäss so erhöht werden, dass im Normalbetrieb insgesamt die gleiche Stromstärke durch die Zelle fliesst.
  • Wird die der Zelle zugeführte elektrische Energie über kürzere oder längere Zeit reduziert, so wird weniger Wärme aus der Elektrolysezelle abgezogen, die Wärmerohre wirken als variable thermische Isolation. Dies erlaubt, das thermische Gleichgewicht der Schmelzflusselektrolysezelle selbstregulierend nach verhältnismässig kurzer Zeit wieder herzustellen. Die Produktion von Aluminium verläuft auf einem entsprechend der reduzierten Energiezufuhr erniedrigten Niveau normal.
  • Die der Elektrolysezelle zugeführte Energie kann aus verschiedensten Gründen, gewollt oder ungewollt, kurz- oder langzeitig, im angegebenen Rahmen verändert, insbesondere reduziert werden, beispielsweise:
    • - Die Marktsituation macht eine Produktionsdrosselung notwendig
    • - Der Spitzenbedarf der Privathaushalte bewirkt kurzzeitige Netzüberlastungen
    • - Pannen am Gleichrichter, die einen teilweisen Ausfall des elektrischen Normalstromes zur Folge haben.
  • Von besonderer Wichtigkeit ist das im Tagesablauf stark schwankende Angebot an elektrischer Energie: 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 Aluminiumelektrolyse wäre es deshalb von grossem wirtschaftlichen Interesse, wenn sie komplementär zum Stromverbrauch der Privathaushalte arbeiten könnte.
  • Die Erfindung erlaubt, dass die Stromzufuhr zu den Elektrolyseöfen so gesteuert werden kann, dass die Energiezufuhr während dem Spitzenverbrauch der Privathaushalte erniedrigt, während den Nachtstunden dagegen erhöht ist.
  • Obwohl die Stromabsenkung bevorzugt höchstens 30 % beträgt, um den selbstregelnden Bereich der Wärmerohre nicht zu überschreiten, verträgt eine erfindungsgemäss konzipierte Elektrolysezelle eine Stromabsenkung bis zu 50 %, wenn die Interpolardistanz entsprechend vergrössert und/oder aus einer anderen Energiequelle Wärme zugeführt wird.
  • Die infolge Erniedrigung oder Erhöhung der Stromstärke eintretende Temperaturveränderung zur Erreichung des thermischen Gleichgewichts der Zelle darf nur innerhalb von verhältnismässig engen Grenzen schwanken, z.B. ± 10° C, weil jede Temperaturveränderung bewirkt, dass sich das aus erstarrtem Elektrolytmaterial gebildete Seitenbord verstärkt oder vermindert.
  • Die Erfindung wird anhand der Zeichnung, mittels schematischer Vertikalschnitte, näher erläutert. Es zeigen:
    • - Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Aluminiumschmelzflusselektrolysezelle mit seitlich angeordneten Wärmerohren, und
    • - Fig. 2 einen Ausschnitt eines Querschnittes im unteren Bereich einer Aluminiumschmelzflusselektrolysezelle, mit einem senkrecht angeordneten Wärmerohr.
  • Nach Fig. 1 ist eine Aluminiumschmelzflusselektrolysezelle 10, welche im wesentlichen aus einer Stahlwanne 12, einer nicht dargestellten Isolierschicht, einem kathodischen Kohleblock 14 mit darin eingebetteten Kathodenbarren 16 sowie Anodenblöcken 18 mit Spaten 20 und Anodenstangen 22 besteht, auf einer Sockelplatte 24 angeordnet. Auf dem Boden des wannenförmig ausgebildeten Kohleblockes 14 liegt das flüssige Aluminium 26, welches beim Elektrolyseverfahren abgeschieden wird. Die Anoden 18 tauchen von oben in den schmelzflüssigen Elektrolyten 28 ein. Dieses Elektrolytmaterial ist im seitlichen und oberen Bereich zu einer festen Kruste 30 erstarrt. Auf diese Kruste ist eine Schicht von Tonerde 32 aufgeschüttet und bildet so eine ausgezeichnete Wärmeisolation.
  • Im seitlichen Längsbereich wird die Stahlwanne 12, die Isolationsschicht und der äussere Bereich des Kohleblockes 14 von Wärmerohren 34 durchgriffen. Im äusseren Bereich der Wärmerohre 34 ist ein lamellenförmiger Wärmeaustauscher mit grosser Oberfläche angeordnet. Das äussere Ende des Wärmerohres 34, im vorliegenden Fall mit einem Wärmeaustauscher 36, ist in einem Kanal 38 angeordnet. Dieser Kanal kann durch einen Metallblock von guter Wärmeleitfähigkeit ersetzt werden, dann ist kein Wärmeaustauscher 36 notwendig.
  • Muss die Elektrolysezelle 10 gekühlt werden, so wird vorerst der Kanal bzw. der Metallblock 38 gekühlt, und die Wärmerohre 34 arbeiten in Pfeilrichtung 40. Muss hingegen der Zelle aus einem oben erwähnten Grund Wärme zugeführt werden, so wird der Metallblock 38 über die Arbeitstemperatur der Elektrolysezelle 10 erhitzt, die Wärmerohre arbeiten dann in Gegenrichtung des Pfeiles 40.
  • Fig. 2 zeigt ein Wärmerohr 34, welches die Stahlwanne 12, die Isolation 13 und teilweise den Kohleboden 14 einer Elektrolysezelle durchgreift. Auf dem Boden des Kohleblockes 14 liegt das flüssige Aluminium 26.
  • Auf das untere Ende des Wärmerohres 34 ist ein lamellenartiger Kühleraufsatz 42 aufgesteckt. Das untere Ende mit dem Aufsatz 42 ragt in einen primären Kühlkanal 44 hinein, welcher mit einem organischen Kühlmittel 46 gefüllt ist. Dieses Kühlmittel ist gegen Alkalimetalle, insbesondere Natrium, auch bei hohen Temperaturen inert. Der untere Bereich des primären Kühlkanals 44 weist eine nach unten gerichtete lamellenartig ausgebildete Ausbuchtung 50 auf, durch welche das organische Kühlmittel in Richtung des Pfeiles 48, um einen als Scheidewand ausgebildeten Fortsatz 52 des Aufsatzes 42 herum, zirkuliert.
  • Der lamellenartig ausgebildete untere Teil 50 des primären Kühlrohres 44 ragt seinerseits in einen sekundären Kühlkanal 54 hinein. Dieser sekundäre Kühlkanal 54 wird von einem üblichen Kühlmedium 56, insbesondere Luft oder Wasser, durchflossen.
  • Mit dieser Ausführungsform, welche das Entziehen von Wärme im Bereich des Bodens der Aluminiumelektrolysezelle erlaubt, macht den Einsatz von Alkalimetall-Wärmerohren völlig ungefährlich. Sollte eine Panne eintreten, fliesst das Alkalimetall lediglich in das inerte organische Kühlmittel, tritt aber nicht mit Wasser oder feuchter Luft in Kontakt.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Regulieren des Wärmeflusses einer Schmelzflusselektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium,
gekennzeichnet durch
- eine verstärkt ausgestaltete Zellenisolation, gebildet durch eine bis zu 50 % dickere Isolationsschicht (13) zwischen Stahlwanne (12) und Kohlenauskleidung (14) und bis zur doppelten Menge Tonerde (32) auf der Kruste (30) aus erstarrtem Elektrolytmaterial, und
- mit einer Stirnseite blind im Zelleninnern eingebaute Wärmerohre (34), welche ein reversibel verdampf-und kondensierbares Wärmeträgermedium enthalten, periphere Teile der Zelle durchgreifen und im ausserhalb der Zelle angeordneten Wärmeaustauscher (38, 44) enden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stirnseite von etwa vertikal angeordneten Wärmerohren (34) im Kohleboden der Zelle (10), vorzugsweise auf gleicher Höhe wie die obere Seitenfläche der Kathodenbarren (16), endet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmerohre (34) in Kathodenbarren (16) oder Anodenstangen (22), deren Querschnittsfläche entsprechend vergrössert ist, angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stirnseite von etwa horizontal angeordneten Wärmerohren (34) in der seitlichen Kohleauskleidung endet.
5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in die ausserhalb der Zelle angeordneten Wärmeaustauscher (38, 44) hineinragenden Enden der Wärmerohre (34) mit einem als Wärmeaustauscher fungierenden Lamellenaufsatz (42) versehen sind.
6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die äusseren Wärmerohrenden in einen primären Wärmeaustauscher (44) hineinragen, welcher seinerseits mit einem sekundären Wärmeaustauscher (54) in Eingriff steht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre, als Kühlkreislauf ausgebildete Wärmeaustauscher (44) mit einem für höhere Temperaturen geeigneten, flüssigen organischen Kühlmittel gefüllt ist, das sowohl mit Alkalimetallen als auch Luft und Wasser kompatibel ist, und der sekundäre, als Kühlkreislauf ausgebildete Wärmeaustauscher (54) mit Luft oder Wasser gefüllt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Wärmeaustauscher (44) ein Metallblock bzw. eine Metallplatte von hoher Wärmeleitfähigkeit ist.
9. Verfahren zum Aufrechterhalten des thermischen Gleichgewichtes einer Schmelzflusselektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 8, bei beliebigen Stromstärken zwischen 50 und 125 % des Normalwertes des Zellengleichstromes, dadurch gekennzeichnet,
dass bei einer 70 - 80 % des Normalwertes übersteigenden Stromstärke in entsprechendem Masse Wärme abgezogen, bei einer Stromstärke zwischen 50 und 70 - 80 % des Normalwertes dagegen die Interpolardistanz vergrössert bzw. aus einer anderen Energiequelle Wärme zugeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Normalwert des Zellengleichstromes dauernd Wärme abgeführt wird.
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