NO310730B1 - Fremgangsmåte og anordning for drift av elektrolysecelle - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører drift av elektrolyseceller av Hall-Héroult typen. Nærmere bestemt relateres oppfinnelsen til forbedret kontroll med prosessgasser og begrensing av utslipp av slike til hallatmosfæren under utførelse av vedlikehold i cellene.

Den øvre del av en elektrolysecelle av Hall-Héroult typen omfatter gjerne et anodeoverbygg bestående av deksler eller en innkapsling inklusive et gassavsugsystem. I tillegg kan det være anbrakt en del hjelpeutstyr, slik som anodebjelke med jekker, skorpebrekkere og et system for råstoffdosering inne i overbygget. For å gjøre anodeoverbygget så gasstett som mulig er det konstruert deksler som skal skille hallatmosfære fra prosessgasser. Dekslene har til oppgave å bevare/øke undertrykket inne i anodeoverbygget ved et gitt gassavsug. Dette vil føre til at prosessgasser transporteres inn i anodeoverbygget og videre ut til samlekanaler i større eller mindre grad, avhengig av systemets design. Ved konstant avsugsmengde må denne være dimensjonert slik at åpning av deksler medfører et begrenset utslipp av prossessgasser til hallatmosfæren, for at luften hvori folk oppholder seg ikke skal bli av for dårlig kvalitet.

NO 179415 vedrører deksling av en anodetopp for Søderberg-celler, hvor det skal tilordnes et kontrollert tilsig av omgivelsesluft for kjøling av anodetoppen. Dette er løst ved at det er tilordnet spalter mellom anodeboltene og de tilhørende hullene i anodedekselet samt ved at gassavsuget frembringer et tilstrekkelig undertrykk slik at omgivelsesluft vil strømme inn gjennom spaltene i en slik mengde at gass ikke unnslipper fra anodetoppen og forøvrig i en slik mengde at temperaturen på anodetoppen holdes under en forhåndsbestemt verdi. Det fremgår videre at anodetoppen kan omfatte sidedeksler som kan åpnes for påfylling av anodemasse eller inspeksjon. Imidlertid gir ikke dette patentet noen anvisning om at avsugsmengden skal økes ved åpning av deksler.

Med foreliggende oppfinnelse kan det oppnås en forbedret oppsamling av gassene spesielt ved åpning av deksler for utførelse av vedlikehold og lignende, uten at avsugsmengden under vanlig drift blir unødig høy. Ved å tilpasse avsugsmengden slik at den økes ved åpning av deksler oppnås besparelser i forhold til tidligere kjente løsninger, da det er kostnadskrevende å opprettholde ønsket oppsamlingsgrad også ved åpning av deksler i en elektrolysecelle ved å kjøre avtrekksvifter med konstant "overkapasitet" samtidig som gassmengdene som skal renses blir unødig store. Videre vil ugunstig strømningsmønster ved kjente løsninger kunne innebære at prosessgasser kan slippe ut av anodeoverbygget selv om avsugsmengden økes.

Foreliggende oppfinnelse angår forbedringer i avsug av prosessgasser fra elektrolyseceller hvor ulemper ved kjente løsninger kan unngås. Videre omfatter oppfinnelsen forbedringer i gassens strømningsmønster inne i anodeoverbygget, hvilket innebærer at det kan oppnås bedrete avsugsforhold selv ved redusert avsugsmengde.

Disse og ytterligere fordeler kan oppnås med oppfinnelsen slik den er definert i kravene 1 og 4.

Oppfinnelsen skal i det etterfølgende beskrives ved hjelp av eksempel og figurer hvor: Fig. 1 viser skjematisk strømningsvektorer i et anodeoverbygg med to

avsugsåpninger,

Fig. 2 viser skjematisk strømningsvektorer i et anodeoverbygg med to

avsugsåpninger og en strømningsanviser,

Fig. 3 viser detaljer ved et avsugssystem for benyttelse i samsvar med oppfinnelsen. Figur 1 viser et anodeoverbygg 1 med sider 2, 3, en bunn 6 som er beliggende ned mot elektrolysekaret (ikke vist), en topp 7 med avsugsåpninger 4, 5 samt gasskjørt 8, 9.

Gassavsugsystemet eller nærmere bestemt gasskanalene på anodeoverbygget kan være delt i to atskilte systemer (høyre/ venstre) som går ut til en samlekanal som gjerne kan være anordnet langs hallveggen. Hvert system har to funksjoner, en normal funksjon og en forsert funksjon. Normalavsugets størrelse er avhengig av elektrolysecellens strømstyrke, mens det forserte avsuget kan være en tredobling av det normale i "normert" mengde. Selv om gassoppsamlingsystemet på anodeoverbygget kan være delt i to atskilte avdelinger har det en felles nevner, nemlig at totalsystemet arbeider i den samme trykktanken definert av kapslingsgraden til elektrolysecellen og er i hovedsak gitt av dekseldesign og åpningsareal.

Sidene 2, 3 kan omfatte ett eller flere avtakbare deksler (ikke vist) som muliggjør tilgang til anodeoverbyggets indre rom. Når ett eller flere deksler fjernes fra anodeoverbygget for å utføre manuelt arbeide på cellen, vil luften som strømmer inn være mye kaldere enn luften som allerede er inne i anodeoverbygget (ovnsrommet). Kald luft vil falle ned og en får det fenomenet som kalles "kaldras". På grunn av avsuget som til enhver tid påtrykkes ovnsrommet vil luften strømme inn der det er minst motstand, dvs. i hullet hvor dekslene er fjernet. Beregninger viser at over 80 % av all luft som suges av vil ta minste motstands vei gjennom hullet i kapslingen.

Den innstrømmende kalde luften vil falle ned og sveipe over anodekullene og dekkmaterialet på anodene (ikke vist) og således bli blandet med prosessgass samtidig som den innstrømmende luft varmes opp. På grunn av akselerasjonen som den kalde luften får ved å falle, vil hastigheten øke og den innkomne luften vil strømme over til motsatt side av ovnsrommet. Her vil den (kaldraset) møte luft som blir suget inn fra motsatt side og størsteparten av luften som kommer fra hullet i kapslingen vil bli tvunget opp og inn i avsugsystemet. Den resterende luften som nå har blitt varmet opp og blandet med prosessgass, vil bli tilbakeført til den side hvor dekslene har blitt fjernet ved at det settes opp store sirkulære strømningsmønstere i cellen, som vist i Figur 1.

Av strømningsmønsteret vist i Figur 1 kan det sees at det før nevnte "kaldraset" genererer et vakuum der gassen kommer inn og faller ned i cellen. Dette i kombinasjon med det genererte strømningsmønsteret i cellen vil føre til at det etableres en hastighetsvektor som er motsatt rettet (ut av anodeoverbygget) oppe under eller ved gasskjørtet 8 på cellen. Det genererte vakuumet fylles av varm prosessgass som skyldes de store sirkulære strømningene i cellen. Resultatet av strømningsmønsteret vist i Figur 1 er at prosessgass kan bli presset ut av anodeoverbygget og unnslippe til hallatmosfære med tilhørende økt takutslipp og ikke minst økt eksponering av operatørene med hensyn til prosessgasser. Ved å forsere eller øke avsugsmengden ved åpning av ett eller flere deksler vil en i samsvar med oppfinnelsen kunne redusere mengden utslipp av prosessgass til hallatmosfæren.

Figur 2 viser et anodeoverbygg 1' i samsvar med foreliggende oppfinnelse hvor overbygget omfatter sider 2', 3", en bunn 6' som er beliggende ned mot elektrolysekaret (ikke vist), en topp 7' med avsugsåpninger 4', 5' samt gasskjørt 8', 9'. Sidene 2', 3' kan omfatte ett eller flere avtakbare deksler (ikke vist) som muliggjør tilgang til anodeoverbyggets indre rom. Videre omfatter anodeoverbygget en sentralt plassert strømningsanviser 10'.

Ved å introdusere en strømningsanviser i form av en hovedsakelig vertikalt orientert skillevegg, for eksempel av stålplate (St 37 Stål) med 10mm platetykkelse og med en gitt avstand fra skilleveggens nedre kant til katodeoverflaten i elektrolysekaret, f. eks. 1000mm, og som videre dekker maksimalt av arealet fra den ene ende til den andre i anodeoverbygget, vil en få opprettet et endret og mer optimalt strømningsmønster i anodeoverbygget. Strømningsanviseren 10' vil føre til dramatiske endringer med hensyn til potensialet for fjerning/bortleding av prosessgasser fra anodeoverbygget og til avgassystemet for videre prosessering. Arbeidsmiljøet vil forbedres ved utførelse av manuelt arbeide på elektrolysecellene. Plasseringen av strømningsanviseren 10' midt i ovnsrommet, med en tilpasset avstand fra katodebunnen og dermed krusten som ligger over badet vil virke som en strømningsanviser for prosessgassene, og er spesielt av betydning ved utførelse av manuelt arbeide på cellen hvor det fordres at sidedekslene må åpnes.

Ved kullskift eller ved rutiner hvor opp til tre deksler fjernes fra anodeoverbygget og med forsert avsug aktivert, vil skilleveggen som er montert midt i ovnsrommet virke som en strømningsanviser ved at forbipasserende gass som på grunn av "kaldraset" stryker under skilleveggen fanges opp av den motsatte sides fungerende gassavsug 4'. Det vil ikke lenger kunne opprettholdes slike store sirkulere strømningsmønstere som vist i Figur 1 med tilhørende tilbaketransport av varm gass og generering av overtrykk ved gasskjørtet på den samme side som dekslene er fjernet. På den siden som dekslene er fjernet vil gassavsuget arbeide under tilnærmet ideelle betingelser og gassen vil gå minste motstands vei, dvs. inn i anodeovebygget og rett opp i gasskanalen. I og med at kald gass er tyngre enn varm gass vil "kaldraset" og samme sides gassavsug arbeide sammen og generere en hastighetsvektor som er rettet inn i anodeoverbygget og som er størst parallelt med gasskjørtet 8' (horisontalt gasskjørt). Fenomenet er i prinsipp vist ved vektor angivelser i figur 2.

Med en slik strømningsanviser montert sentralt i cellen vil undertrykket i kapslingen lettere opprettholdes med en lavere total avsugsmengde enn hva tilfellet er uten strømningsanviser. Forutsetningen for at systemet skal virke etter intensjonen er at undertrykket ved eller under gasskjørtet rundt anodehengerene (ikke vist) på samme side av anodeoverbygget som dekslene er fjernet er av en viss størrelse, f. eks. større enn 3-4 Pa, slik at prosessgass holdes inne i kapslingen. Med strømningsanviser montert, vil utslippet til hallatmosfære og dermed arbeidsmiljøet bli forbedret og gassavsuget som system vil fungere bedre.

Det skal forstås at strømningsanviseren også kan etableres på annen måte, f. eks kan det plasseres siloer for mating av oksid, fluorid etc. samt annen utrusting inne i anodeoverbygget som er tilpasset slik at utrustningen ut fra et strømningsmessig synspunkt vil fungere som strømningsanvisere med hensyn til transport av prosessgass fra anodene gjennom krusten og dekkematerialet og til avgassystemet som sørger for videre transport av gassene f.eks til rensing eller fluorgjenvinning. Dette kan muliggjøres ved at utrustningen rent fysisk deler ovnsrommet i to "separate" avdelinger, hver forbundet med hvert sitt separate avsugssystem som fører videre til samlekanal. En slik deling av anodeoverbyggets indre rom kan forbedres ved at utrustningen samlet sett utgjør en tett vegg i hele ovnsrommets lengde og med en tilpasset åpning ned mot elektrolysekaret, slik at det dannes en fysisk skillevegg tilsvarende den foran beskrevne strømningsanviser. For å etablere en slik skillevegg kan eventuelle åpninger mellom siloer og annen utrustning tettes ved hjelp av tetningselementer så som plater e.l. (ikke vist). Figur 3 viser detaljer ved et avsugssystem for benyttelse i samsvar med oppfinnelsen. Figuren viser utsnitt av anodeoverbygg 20, 21, 22, 23, 24 tilsvarende figur 1 og 2. Som det fremgår av figuren er anodeoverbygget 21 utstyrt med to avsugskanaler 25, 26 som respektivt er tilknyttet utløpsstusser 27, 28. Utløpsstussene er forbundet med forgreininger 33, 35 og 34, 36 respektivt. Forgreiningene 35 og 36 er tilknyttet en samlekanal 29 for normalt avsug, mens forgreiningene 33 og 34 er tilknyttet en kanal 30 for forsert avsug. Kanalen 30 kan betjene et gitt antall anodeoverbygg, hvorved det i kanalens ende er montert en avsugsvifte 31 med et utløp som er koplet til samlekanalen. Videre, i forbindelse med forgreiningen (overgangen mellom hver av utløpsstussene 27, 28 og forgreiningene 33, 35 og 34, 36 respektivt) kan det være anordnet en tre-veis ventil (ikke vist).

Funksjonen til avsugssystemet er følgende:

Ved normal drift suges prosessgasser ut av elektrolysecellene via anodeoverbyggene 21 og utløsstusser 27, 28 og direkte inn i samlekanalen 29 via forgreiningene 35 og 36. I denne situasjonen er tre-veis ventilen i en slik stilling at den stenger av mot forgreiningene 33, 34. Ved åpning av ett, eventuelt to eller flere deksel i anodeoverbygget, starter avsugsviften 31 og prosessgasser suges gjennom forgreininger 33 og 34 med det resultat at hastigheten og volumet som suges gjennom utløpsstusser 27 og 28 øker f. eks til det tredoble av normalt avsug. Det går da ikke prosessgass gjennom forgreining 35 og 36, da disse er stengt av ved tre- veis ventilen så lenge viften 31 er i drift. Avsugsviften 31 og kanalen 30 som utgjør de primære komponentene i det forserte avsug kan tilpasses slik at de hensiktsmessig dekker ønsket antall celler.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte for fjernelse av prosessgasser fra elektrolyseceller, spesielt celler av Hall-Héroult typen, hvor cellen omfatter et anodeoverbygg med deksler som kan åpnes for blant annet adkomst til cellens anoder, og hvor anodeoverbygget videre omfatter et avsugssystem for fjernelse av prosessgasser, hvor avsugssystemet er tilpasset fjernelse av en normert mengde prosessgasser under normal drift av cellen, karakterisert ved at avsugssystemet er innrettet slik at det fjernes en øket mengde prosessgasser ved åpning av anodeoverbyggets deksler ved en forsering av avsuget.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at prosessgassene suges av på en slik måte at det initieres et strømningsmønster i anodeoverbygget som gjør at utslipp til omgivende luft kan begrenses.

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 2, karakterisert ved at det initierte strømningsmønster er slik at luft som slipper inn gjennom en åpning i anodeoverbygget fjernes fra denne hovedsakelig uten å returnere tilbake til området ved nevnte åpning.

4. Anordning for benyttelse i forbindelse med en elektrolysecelle, spesielt celler av Hall-Héroult typen, omfattende et anodeoverbygg med sider 2, 3 som har deksler som kan åpnes, endevegger, en åpen bunn 6 beliggende ned mot et elektrolysekar, samt en topp (7) tilknyttet et avsugssystem omfattende en samlekanal (29) for kontinuerlig avsug av prosessgasser under cellens drift, karakterisert ved at avsugssystemet omfatter minst én, fortrinnsvis to avsugsåpninger som strekker seg i cellens lengderetning idet avsugssystemet videre omfatter midler så som et forsert avsugssystem bestående av vifte (31) og kanal (30) som settes i kommunikasjon med cellens avsugssystem for å kunne øke mengden prosessgass som suges av, spesielt ved åpning av ett eller flere deksler.

5. Anordning i samsvar med krav 4, karakterisert ved at anodeoverbygget (1") omfatter en innvendig, vertikalt anbrakt vegg (10') som strekker seg ned fra anodeoverbyggets topp og ned mot elektrolysekaret i cellens lengderetning.

6. Anordning i samsvar med krav 5, karakterisert ved at den vertikale veggen (10') er anbrakt mellom avsugsåpningene (4', 5') i cellens topp.

7. Anordning i samsvar med krav 5, karakterisert ved at den vertikale veggen (10') dels utgjøres av prosessutstyr så som silo(er) for mating av oksid og/eller fluorid.