NO316925B1 - Anodesystem for produksjon av aluminium - Google Patents

Description

INNLEDNING

Denne oppfinnelse viser til et anodesystem for anvendelse i en prosess for reduksjon av metall, spesielt for reduksjon av aluminium, og en metode eller prosess for dette.

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

I dag produseres aluminium kommersielt i Hall Heroult-celler (HH-celler).

Hovedreaksjonen er

HH-cellen opererer med en kryolitt (Na3AIF6) basert saltsmelte (som elektrolytt) ved 960 °C. Elektrolytten kan ha varierende kryolittforhold (Naa/AIFa) og inneholde andre tilsetninger som CaF2, LiF, MgF2, etc. Elektrolytten tjener som oppløsnings-middel for alumina (AI2O3). Elektrisk strøm sendes gjennom kryolittbadet via anoden og katoden, slik at oppløst alumina reduseres elektrokjemisk til aluminiummet-all (flytende) ved katoden og utvikling av CO2 ved anoden. Det dannede Al-metall flyter på en karbonkatode, mens C02 forlater cellen i form av gassbobler.

Moderne HH-celler benytter forbakte karbonanoder. Eksisterende forbakte anodesystemer består vanligvis av en fast karbonanode, stålbolter og en aluminium-stål stang. Boltene er festet i anoden og er forbundet med stanga. Boltene og stanga leder også elektrisk strøm til karbonanoden, som igjen er i direkte kontakt med kryolitt elektrolytten. Anodereaksjonen skjer i grenseflaten mellom anoden og elektrolytten. Denne oppfinnelse er også gyldig for den eldre, men fortsatt benyttede, prosess som benytter Søderberg anode.

Teoretisk spaltningspenning er omtrent 1,2 V for Likning (1), mens virkelig spenning er omtrent 1,7 V. Dette skyldes i hovedsak overspenning forbundet med kjemisk og elektrokjemisk reaksjon mellom CO og CO2 ved karbonanodeoverfla-ten. Ytterligere spenning er nødvendig for å opprettholde varmebalansen i cellen under drift. Varmetilførselen for å holde cellen ved driftstemperatur på omtrent 960 °C genereres hovedsakelig gjennom l<2>R effekt i elektrolytten. Cellespennin-gen i HH-celler er i dag 4,3 to 4,5 V med et strømutbytte på 93 til 95 %.

Det er kjent i industrien at det er mange problemer forbundet med drift av eksisterende karbonanoder i HH-celler ved produksjon av aluminium.

Karbonanoden forbrukes i aluminium reduksjonsprosessen i henhold til Reaksjon (1). Det teoretiske anode karbonforbruket er 334 kg per tonn Al produsert, mens den virkelige verdien varierer i området 400 til 500 kg per tonn Al. Forbakte karbonanoder er dyre og representerer en betydelig del (omtrent 14 til 20 %) av produksjonskostnadene for aluminium.

Anodeforbruket nødvendiggjør en periodisk justering av anodehøyden for å opprettholde en gitt anode til katode avstand. Den periodiske justeringen av anodene fører til forstyrrelser i celleoperasjonen, og gjør automatisering vanskeligere. Operasjonen med å skifte anoder er en vesentlig kostnad i produksjon av aluminium med hensyn på utstyr, drift, vedlikehold og arbeid.

I tillegg vil det varierende anodeforbruket resultere i ujevnheter på anodeoverflaten som opprinnelig er laget med flat geometri. Ujevn overflate tvinger HH-cellene til å operere med en betydelig anode til katode avstand under drift for å hindre mulige kortslutninger mellom anode og katode. Dette fører til ekstra spen-ningsfall gjennom elektrolytten.

Utviklet gass fra reduksjonscellene inneholder mer enn 90 % CO2. Dette er en klimagass med økende miljømotstand i dag. Dannelsen av CO2 er direkte koblet til dagens prosess for aluminiumproduksjon. I tillegg er også andre utslipp knyt-tet til dagens HH-celler, som CO, HF og flyktige perfluor forbindelser, etc. Løsnin-ger for å redusere disse utslippene representerer en betydelig kostnad og utfordring for aluminiumprodusentene. I overskuelig framtid vil det forventes at miljøkost-nadene vil fortsette å øke dersom det ikke skjer radikale forandringer i forhold til HH-celle teknologien.

I HH-celler opptrer anodeeffekt (med god praksis i dag omtrent 0.2 til 0.5 ganger per uke) når den lokale konsentrasjonen av AI2O3 i kryolitt elektrolytten blir for lav. I slike tilfeller vil dannelsen av CO2 ved karbonanoden stoppe, opp og det dannes CF4 og C2FB, som er farlige klimagasser. Anodeeffekten begrenser også hvor mye strøm som kan tilføres anoden, dvs produksjonskapasiteten i en HH-celle.

For å overvinne de begrensningene som ligger i eksisterende anodesystem beskrevet ovenfor, har forskjellige typer av såkalte ikkeforbrukende anoder (inerte anoder) blitt forsøkt i løpet av de siste tiår. Med inerte anoder vil den kjemiske hov-ed reaksjonen for aluminiumelektrolyse være

Spenningen for å spalte Likning (2) er imidlertid rundt 1,2 V, sammenliknet med 1,2 V ved bruk av karbonanode. Dette utligner delvis fordelen dette har i forhold til karbonanode. De mest lovende materialene for inerte anoder er keramiske oksider eller blandinger av keramer og metaller. Dessverre har disse materialene som regel en viss løselighet i kryolitt elektrolytten ved 960 °C. Oppløsning av disse materialene i kryolitt elektrolytten vil forurense det produserte Al.

US Patent 6 039 862 (21. mars 2000) presenterer en metode for å produsere aluminium gjennom en modifisering/tilpasning av en HH-celle med en ikkeforbrukende anode av tilsvarende type som benyttes i oksygen brenselsceller. Anoden har et hulrom og består av en zirkoniumoksid-basert faststoff elektrolytt. Dette anodematerialet tillater migrering av oksygenioner fra kryolittelektrolytten gjennom anodeveggen til innsiden av den hule anoden hvor oksygenioner reagerer med et brennstoff. Det skal bemerkes at det ikke vil opptre gassbobler på kontaktflaten mellom anoden og kryolitt elektrolytten, og at kryolittelektrolytten er atskilt fra driv-stoffet gjennom anodeveggen.

Prosessen over (US 6 039 862) kan gjennomføres ved en betydelig lavere temperatur. Ved normale driftsbetingelserfor HH-celle ved 960 °C vil imidlertid løseligheten av zirkoniumoksid være ganske høy. Også motstanden mot termisk sjokk og kjemisk reaksjon med metallisk Al vil vanligvis være dårlig. Brudd eller korrosjon av det zirkoniumoksid-baserte materialet vil utvilsomt resultere i foruren-sing av den produserte aluminium. I tillegg vil den mekaniske overgangen mellom anode og metallbolt ha problemer med å overleve under de ekstreme forholdene med termiske spenninger og kjemisk korrosjon som er i HH-cellen. I mangel av dannelse av gassbobler i grenseflaten anoden-elektrolytt, kan konveksjon og diffu-sjon av flytende elektrolytt bli utilstrekkelig for transport av oppløst alumina til anoden. Det er også et spørsmål om dette systemet ved lavere temperatur vil være i stand til å transportere tilstrekkelig strøm for å opprettholde en høy produktivitet, da en rask transport av oksygenioner krever høy temperatur.

Hittil har ikke de nevnte inerte anodene blitt kommersialisert. Det er fortsatt en stor utfordring, både teknisk og økonomisk, å realisere konseptet med inerte anoder gjennom ombygging av eksisterende HH-celler.

DE Patent 3721311 A1 presenterer en metode for mating av alumina til elektrolyse cellen. Et hull bores gjennom anoden, og et tilførselsrør for pneumatisk transport av fødemateriale monteres inn. Gassen som benyttes for pneumatisk transport av fast materiale til elektrolytten under anoden kan være en reduserende gass. Ettersom hensikten med røret er å tilsette alumina, trengs det et rør med betydelig diameter, sannsynligvis minst 5 cm i diameter for å unngå gjengroing. Anvendelse av reduserende gass som pneumatisk transportmedium for alumina an-tas å gi redusert forbruk av karbonanoden, fordelingen over anoden kan imidlertid ikke kontrolleres. Denne oppfinnelsen skiller seg fra herværende oppfinnelse ved at anoden i DE 3721311 A1 ikke benyttes til fordeling av gass over grenseflaten mellom anode-elektrolytt.

i

SAMMENDRAG AV OPPFINNELSEN

Oppfinnelsen er tenkt å løse, eller i det minste lette, problemene forbundet med kjent teknikk som beskrevet over.

For å oppnå dette formålet er det laget et anodesystem, som i tillegg til å lede elektrisk strøm, også transporterer og fordeler en reduserende gass, f.eks. naturgass, til grenseflaten mellom anode og elektrolytt. Den reduserende gassen fordeles over grenseflaten mellom anode og elektrolytt gjennom porer eller kanaler i anodematerialet, noe som muliggjør en anodereaksjon som omfatter den reduserende gassen i grenseflaten mellom anode og elektrolytt. Anoden er senket ned i elektrolytten. I en foretrukket utførelsesform kan anodesystemet bestå av en kombinert gasstilførsel og strømleder som leder både strøm og reduserende gass til anoden.

For høytemperaturanvendelser, slik som aluminiumelektrolyse i kryolitt elektrolytt, er anoden fortrinnsvis laget av et karbon eller grafitt basert materiale med sammenhengende porer eller kanaler for gassfordeling. De sammenhengende porene som er nødvendig for gassfordeling, kan være dannet under baking av anoden ved bevisst å variere partikkelfordelingen i kombinasjon med hensiktsmes-sig bindemiddelmengde. Gassfordelingssystemet kan også settes inn i grønt kom-positt materiale og bakes sammen med den grønne massen til faste anoder. Dette er spesielt egnet for syntetiske bindemidler som krever lavere baketemperatur enn tjærebaserte bindemidler, selv om et stålbasert fordelingssystem er mulig med dagens tjærebaserte bindemidler.

En ytterligere utforming av anode gass/strøm tilførselen kan være laget av et fast materiale som nedstrøms har en åpning montert i anoden på en slik måte at den reduserende gassen kun transporteres til grenseflata mellom anode og elektrolytt. Anode gass/strøm tilførselen kan også være en hul stang.

Karbonanoden trenger ikke å delta i den anodiske reaksjonen ved aluminiumelektrolyse. Måten den reduserende gassen fordeles på i henhold til oppfinnelsen, muliggjør en beskyttelse av karbonanoden mot den anodiske oksidasjonen. Andre materialer, f.eks. keramiske og karbon - metall oksid kompositter og grafitt kan også benyttes i anoden i henhold til en utforming av oppfinnelsen, gitt at tilstrekkelig strømtransport kan opprettholdes. Kompositte karbon materialer, materialer som inneholder karbon/grafitt og oksidiske materialer kan benyttes for å lage sammenhengende porer eller kanaler for gass transport. Et utløpsrør for avgasser fra reduksjonsreaksjonen ved anoden kan også anvendes.

Det oppfunnede anodesystem kan også benyttes i modifiserte Hall-Heroult elektrolyseceller. Videre kan det benyttes en karbon beholder med alumina foring for kryolitt elektrolytten. Flytende aluminium kan benyttes i bunnen av beholderen for å virke som katode. Elektrolysecellen kan også være en bipolar celle eller fler-elektrodecelle med vertikale, horisontale eller vinklede anodearrangementer og med gas fordelingssystem og celledeler konstruert av forskjellige ildfaste eller keramiske materialer.

I et annet aspekt av oppfinnelsen tilveiebringes en fremgangsmåte for produksjon av aluminium ved en reduksjonsprosess ved grenseflaten anode-elektrolytt i en elektrolysecelle. Et anodesystem som er benyttet, består av en anode med sammenhengende porer eller kanaler for nedsenking i en elektrolytt og en strøm-leder for tilførsel av strøm til anoden som er nedsenket i elektrolytten. Fremgangsmåten er spesiell ved at reduserende gass tilføres grenseflaten mellom anode og elektrolytt gjennom sammenhengende porer eller kanaler.

I en utforming kan både strøm og gass tilføres grenseflaten anode - elektrolytt gjennom anoden. Naturgass kan benyttes som reduserende gass. Ved å regulere den reduserende gassmengden og strømtettheten i kombinasjon kan reak-sjonsraten i reduksjonsprosessen kontrolleres. Forskjellige utforminger av modifiserte HH-celler, bipolare celler, fler-elektrode celler og vertikale, horisontale eller skråstilte anode arrangementer med gasstilførsel system og celle konstruksjons-materialer av forskjellige ildfast eller keramiske materialer kan benyttes.

Gass anodesystemet og fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen mulig-gjør en mer miljøvennlig aluminium reduksjonsprosess med betydelige material be-sparelser. En relativ dimensjonstabil anode på grunn av redusert materialforbruk vil også tillate en kortere anode - katodeavstand og ytterligere energibesparelser.

Fremgangsmåten og gassanode-systemet i følge oppfinnelsen krever ikke lavere driftstemperatur ved anvendelse i HH-celler. Ingen vesentlige endringer i driftsbetingelser er nødvendig for tilpasning av den foreslåtte metode og gass anodesystem i HH-celler. Dette vil gi en lavere kostnad og mer fleksibel tilpassing ved ombygging av eksisterende HH-celler.

Fremgangsmåten og gassanode-systemet tillater også andre nye utforminger av elektrolyseceller for aluminium produksjon.

I prinsippet trenger ikke den reduserende gassen begrenses til naturgass. Anodesystemet som er beskrevet, kan også tenkes å finne anvendelse utenfor det området som herværende oppfinnelse angår, nemlig i andre metallreduserende prosesser hvor reduserende gass kan benyttes. Porene eller kanalene i anoden kan også ha forskjellig størrelse, geometri eller tykkelse avhengig av skalering av gass/anode-systemet. Anodesystemet kan også være anvendbart i andre elektro-lyttsystemer hvor oksygen deltar i anodereaksjonen. I slike systemer kan andre ledende materialer enn karbon være mer egnet, f.eks. på grunn av katalytiske effekter.

Oppfinnelsen defineres nøyaktig i de vedføyde patentkravene.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Utførelsesformer av oppfinnelsen vil nå forklares med henvisning til tegningene, hvor: FIGUR 1 er en skjematisk tegning av en aluminium elektrolysecelle som benytter fremgangsmåten og apparatet for et gass-anodesystem i henhold til en ut-førelsesform av oppfinnelsen; FIGUR 2 er skjematisk visning av en alternativ utførelsesform av anodesystemet i henhold til den foreliggende oppfinnelsen; FIGUR 3 er en skjematisk illustrasjon av et fleranode-system som en utførelses-form av fremgangsmåten og konstruksjonsprinsippet i henhold til den foreliggende oppfinnelsen; FIGUR 4 er en skjematisk visning av et bipolart anodesystem som benytter fremgangsmåten og konstruksjonsprinsippet i henhold til den foreliggende oppfinnelsen; og FIGUR 5 er en skjematisk visning av en aluminium reduksjonscelle med drener-ende katode og skråstilte anoder laget i henhold til fremgangsmåten og konstruksjonsprinsippet gitt av oppfinnelsen.

DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

Oppfinnelsen er basert på erkjennelsen av at følgende reaksjon som kan skje hvis reduserende gass, f.eks. naturgass eller reformert naturgass, benyttes for å erstatte karbon som reduksjonsmiddel. For en generell metall-produksjons-prosess er dette uttrykt ved følgende likning: eller i tilfellet med aluminium:

FIGUR 1 illustrerer skjematisk en modifisert Hall-Heroult celle som benytter en gass anode i henhold til en utforming av oppfinnelsen. Cellen inkluderer et gass anodesystem for tilførsel av reduserende gass 1 via et hult rør. I utformingen vist in FIGUR 1 transporteres både elektrisk strøm og reduserende gass til grenseflaten mellom anoden og katode ved hjelp av det hule røret. Denne gass/strøm lederen 2 er forbundet til en anode 6 som inneholder grafitt eller karbon materialer med sammenhengende porer eller kanaler. Anoden 6 er nedsenket i en elektrolytt 7 som befinner seg i en beholder, i dette tilfellet, av karbon 4 med en foring av syn-tetisk alumina 5. Gassproduktene fra anodereaksjonen går ut gjennom et utluft-ingsrør 3. Et metallag/pute 8 dekker bunnen av digelen som fungerer som katode 9.

Apparaturen med gass anodesystemet, i henhold til oppfinnelsen, for anvendelse av reduserende gass for å produsere aluminium, som vist i FIGUR 1, omfatter 1) en anode som inneholder karbon - eller grafitt - med sammenhengende porer eller kanaler, 2) et hult rør som er forbundet med anoden, med den hensikt å fungere som tilførsel av 3) reduserende gass og strøm. Utformingen er imidlertid ikke begrenset av FIGUR 1 da hovedprinsippet i oppfinnelsen er å tilføre både elektrisk strøm og reduserende gass til grenseskiktet mellom anode og elektrolytt.

Gass/strøm lederen i FIGUR Ikan være laget i rustfritt stål eller andre materialer som Al, Cu, Ni, etc. Siden strømlederen også er benyttet for tilførsel av gass til anoden, må den oppstrøms åpningen av røret være koblet til en gasskilde, mens den nedstrøms åpningen er innført i anodelegemet. Innsettingen av den nedre åpningen er gjort på en måte som tillater den reduserende gassen å bli tran-sportert til anode - elektrolytt grenseflaten, som er neddykket i den flytende elektrolytten og ikke til området som er over elektrolytten.

De samme referansenumrene viser til de samme delene for de forskjellige utførelsesformene i den følgende beskrivelse.

Strømlederen og gasstilførselen kan være to atskilte systemer, f.eks. en standard strømtilførsel i henhold til vanlig praksis og særskilt gasstilførsel system for anoden. Forskjellige utforminger av slike anodesystemer med atskilt strøm og gasstilførsel er vist i FIGURENE 2, 4 og 5. FIGUR 2 viser en alternativ utforming av anodesystemet i henhold til den presenterte oppfinnelsen. Hovedforskjellen til anodesystemet vist i FIGUR 1 er at strømmen tilføres anoden gjennom en stang 10 og at reduserende gass tilføres gjennom atskilte rør 11. Den reduserende gassen fordeles gjennom porer eller kanaler 12, før det når grenseflaten mellom anoden 6 og elektrolytten 7. FIGUR 3 viser et fleranodesystem i elektrolyse celle i henhold til en utforming av oppfinnelsen hvor det benyttes en kombinert gass/strøm leder. Anodene 13 og katodene 14 er plassert vertikalt parallelt til hverandre i cellen. Den reduserende gassen transporters gjennom et fordelingsrør 15 til hver anode som har porer eller kanaler som fordeler gassen til anode - elektrode grenseflate. Katoden 14 kan være laget av konvensjonelle karbon/grafitt materialer, eller fortrinnsvis materialer som fukter produsert metallet, f.eks. TiB2 - baserte materialer 8. Den elektriske strømmen ledes gjennom anodene og katodene via fordelingsrøret til anoden 15 og katodens strømskinne 16, begge laget av ledende metaller eller materialer. Anodene og katodene er elektrisk forbundet i parallell. Sideveggen 17 og bunnen av cellen kan lages av alle typer materialer som har god motstands-evne mot høye temperaturer og korrosjon. Celleforingene 18 kan lages av alle typer materialer motstandsdyktig mot korrosjon fra elektrolytten 7. Overdekking 19 benyttes for å redusere utslipp fra cellen.

I FIGUR 4, er et bipolart fler-elektrodesystem i henhold til en utforming av oppfinnelsen presentert skjematisk. Den bipolare elektroden består av en anodedel 20 og en katodedel 21. Alle bipolare elektroder er plassert vertikalt parallelt i forhold til hverandre i cellen. Den reduserende gassen tilføres gjennom et fordel-ingsrør 22 til hver anodedel som har porer eller kanaler som fordeler den reduserende gassen til grenseskiktet mellom anoden og den flytende elektrolytten. Strøm-men fordeles via en anode 23 strømleder og en katode 24 strømleder. Alle elek-trodene er elektrisk forbundet i serie og strømmen går fra enden med den separate anoden 13.til enden med den separate katoden 14 gjennom alle bipolare elektroder nedsenket i elektrolytten 7.

FIGUR 5 viser skjematisk et flerelektrode system som en annen alternativ utforming i henhold til oppfinnelsen. Tilførsel av strøm gjennom anodestanga 10 og reduserende gass gjennom tilførselsrøret 11 er atskilte systemer for anoden 6. Den reduserende gassen tilføres gjennom et samlerør 22 til hver anode med porer eller kanaler for fordeling av gass til grenseflaten mellom anode og elektrolytt. Anodeoverflaten og katodeoverflaten kan også vinkles skrått (0 < vinkel < 90°). Skråstilt katode kan være laget av materialer som fukter produsert metall, for eksempel TiB2 - baserte materialer. Metallet 8 samles opp flytende i bunnen 25. Et skråstilt opplegg er gunstig for drenering av produsert metall og for frigjøring av re-aksjonsgasser.

Reaksjonshastigheten for aluminium reduksjonsprosessen i ligning (3), i henhold til metode beskrevet i oppfinnelsen, kontrolleres av en kombinasjon av re-gulering av gasstrømmen og strømtettheten på anodesystemet.

I henhold til nomenklatur benyttet er ikke terminologien "reduserende gass" begrenset til naturgass eller CH4, da andre typer reduserende gasser, f.eks. H2, C2H6, etc, også vil fungere med metode og gass anodesystem som beskrevet i oppfinnelsen.

I motsetning til metoden hvor reaksjonen skjer mellom den reduserende gassen og migrerende oksygenioner i det indre hulrommet av anoden som fore-slått i US 6 039 862, bringer metoden og gass anodesystemet i henhold til oppfinnelsen den reduserende gassen til grenseflata mellom anode og elektrolytt. Den reduserende gassen, for eksempel CH4, deltar i den anodiske reaksjonen ved grenseflata mellom anode og elektrolytt, i motsetning til en reaksjon som skjer i et indre hulrom av anoden.

I dette tilfellet har den reduserende gassen direkte kontakt med elektrolytten og overflaten på anoden. Apparaturen og metoden for gass anodesystemet mulig-gjør en dannelse av et kontinuerlig, finfordelt bobleskikt av den reduserende gassen som dekker anodeoverflaten. Det reduserende gasskiktet reduserer eller for-hindrer oksidering av karbon i henhold til Likning (1) og gjør at reaksjonen i Likning (3) blir foretrukket.

Gass anodesystemet i henhold til oppfinnelsen muliggjør en miljøvennlig aluminium reduksjonsprosess. Ved å sammenlikne Likning (1) og Likning (3), vil det oppnås en 50 % reduksjon i CO2 avgass ved produksjon av samme mengde aluminium ved å benytte CH4 gass. Karbonanoden deltar ikke i den anodiske reaksjonen i henhold til Likning (3), slik at den, i hvert fall teoretisk, ikke forbrukes under aluminium elektrolyse. Anvendelse av oppfinnelsen vil gjøre anoden dimen-sjonsstabil i henhold til egenskapen av ikke å delta i den anodiske reaksjonen, sammenliknet med nåværende forbruk av karbonanoder i H-H prosessen.

Dette vil gi alle fordelene med en'dimensjonsstabil anode: Konstant anode til katode avstand, enkel og billig konstruksjon av anodesystem, lavere drifts- og vedlikeholdskostnader. Dette vil i betydelig grad redusere produksjonskostnadene for aluminium og forbedre effektiviteten av celledriften.

Hyppigheten av anodeeffekt er også forventet å avta siden det ikke skjer en dannelse av oksygen - karbon komplekse forbindelser på overflaten (en direkte årsak til anodeeffekten) slik som tilfellet er ved anodisk oksidering av karbonelek-troden i eksisterende HH-celler. Dette vil tillate en høyere aluminium produksjons-hastighet uten forstyrrelser fra plutselige spenningsøkninger forårsaket av anodeeffekten.

Spaltningspenningen for aluminium er omtrent 1,1 V ved 960 °C på grunn av den depolariserende effekten av reaksjonsgassen. Dette betyr at anodesystemet som er beskrevet tidligere ikke bare gir de fordeler som dimensjonsstabile anoder gir, men også en gunstig lavere dekomponeringsspenning i forhold til inert anode.

I tillegg, fordi spaltningspenningen (1,1 V) tilsvarer dagens verdi (1,2 V), vil varmebalansen (kontrollert av spenningskomponentene) for H-H cellen kunne opprettholdes omtrent uforandret. Dette vil i stor grad redusere arbeid og kostna-der ved konstruksjon av nye celler og ombygging av eksisterende celler ved anvendelse av oppfinnelsen.

Ved utforminger av oppfinnelsen er det ikke nødvendig å redusere drifts-temperaturen for anvendelse i HH-celler. Ingen vesentlige endringer i driftsbetingelser er nødvendig for å tilpasse denne metoden og gass anodesystemet i HH-celler. Dette gir en lavere kostnad og muliggjør en enklere løsning for en alumini-umsprodusent ved ombygging av eksisterende HH-celler.

I tilfelle det skulle oppstå et problem i forbindelse med gasstilførsel eller at kanaler (eller porer) blokkeres, kan anoden i denne oppfinnelsen fortsatt fungere som en tradisjonell karbonanode (ved å forbrukes på vanlig måte). Ingen forurens-ing ved svikt eller korrosjon av anoden vil skje - en fordel i forhold til de foreslåtte keramiske inerte anodene.

Det skal endelig bemerkes at anodesystemet som er beskrevet i det foregå-ende, også kan tenkes å finne anvendelse utenfor det område som herværende oppfinnelse angår, nemlig i prosesser for reduksjon av andre metaller, og hvor reduserende gass kan benyttes.

Eksempel

Elektrolysecellen ble satt opp som vist i FIGUR 1. En grafitt anode med fin-fordelte sammenhengende porer og kanaler ble benyttet for å fordele CH4 gass til anodeoverflaten. Elektrolytten hadde en sammensetning med NaF/AIF3 forhold=2,1, 5 % CaF2 og 5 % Al203. Cellen ble drevet ved 960 °C.

Spaltningspenningen (termodynamisk spaltningspenning + overspenning) var 1,60 V for anoden uten tilførsel av reduserende gass og 1,45 V for anoden ved gasstilførsel.

Med identisk anode materiale og forsøkbetingelser viste anoden uten reduserende gass et betydelig forbruk, mens anoden med reduserende gass, anvendt i henhold til den beskrevne metode og gass anodesystem, kun viste ubetydelig forbruk.

Andre eksempler på utforminger er vertikalt eller skrått stilte elektrodearran-gementer, som kan benyttes som enkle elektrode celler eller i bipolare celler. Slike utforminger er vist i Figurene 2-5.1 bipolare celler er anodesiden laget med porer

eller kanaler for gassfordeling, mens katodesiden er laget uten porer eller kanaler. Anode og katodesiden kan være av samme materialsammensetning, eller katodesiden kan være av et helt forskjellig materiale enn anodesiden, f.eks. stål, cermet, eller andre materialer med katodisk motstand mot produsert metall eller anvendt elektrolytt.

Claims (16)

1. Anodesystem for anvendelse i en elektrolysecelle for produksjon av aluminium gjennom å anvende en reduserende gass i en anodisk reduksjonsprosess i en anode-elektrolytt-grenseflate, hvor anodesystemet består av et anodelegeme (6) for neddykking i en elektrolytt (7), en tilførsel (2,11,15) av reduserende gass gjennom anodelegemet til anode-elektrolytt-grenseflaten og en strømleder (2,10,

15, 23) for tilførsel av strøm til anodelegemet (6) neddykket i elektrolytten, karakterisert ved at anodelegemet (6) har porer eller kanaler for fordeling av den reduserende gass til anode-elektrolytt-grenseflaten.

2. Anodesystem i henhold til krav 1, karakterisert ved at strømlederen og tilførselen av reduserende gass er kombinert til en anode gass/strøm-tilførsel (2,15) som forsyner anodelegemet (6) både med strøm og reduserende gass.

3. Anodesystem i henhold til krav 2, karakterisert ved at anode gass/strøm-tilførselen (2,15) er laget av et fast materiale og at den nedstrøms har en åpning innført i anodelegemet på en måte som tillater transport av reduserende gass bare til anode-elektrolytt-grenseflaten.

4. Anodesystem i henhold til krav 2 eller 3, karakterisert ved at anode gass/strøm-tilførselen (2) er en hul stang.

5. Anodesystem i henhold til krav 1, karakterisert ved at anodelegemet (6) omfatter karbon eller grafitt.

6. Anodesystem i henhold til krav 1 eller 5, karakterisert ved at anodelegemet (6) omfatter et hvilket som helst annet materiale, f.eks. kompositte karbonmaterialer, materialer som inneholder karbon/grafitt, og oksidmaterialer.

7. Anodesystem i henhold til krav 1, karakterisert ved at elektrolysecellen omfatter et utløpsrør (3) for gasspro-dukter fra reduksjonsprosessen ved anoden.

8. Anodesystem i henhold til krav 1, karakterisert ved at elektrolytten er en kryolittbasert elektrolytt som inneholder alumina.

9. Anodesystem i henhold til krav 8, karakterisert ved at den kryolittbaserte elektrolytten befinner seg i en kar-bonbeholder (4) med en foring (5) av alumina.

10. Anodesystem i henhold til krav 1, karakterisert ved at elektrolysecellen er en modifisert Hall-Herou It celle.

11. Anodesystem i henhold til krav 1, karakterisert ved at elektrolysecellen er en bipolar celle eller f lerelektrode-celle med vertikale, horisontale eller skråstilte anodeoppstillinger og med gassfordelingssystem og cellekonstruksjonsdeler av forskjellige ildfaste eller keramiske materialer.

12. Fremgangsmåte for produksjon av aluminium ved en reduksjonsprosess ved en anode-elektrolytt-grenseflate i en elektrolysecelle hvor det benyttes et anodesystem som består av et anodelegeme (6) med sammenhengende porer eller kanaler for nedsenking i en elektrolytt (7), en tilførsel (2,11,15) av reduserende gass gjennom anodelegemet til anode-elektrolytt-grenseflaten, og en strømleder (2,10, 15, 23) for tilførsel av strøm til anodelegemet (6) nedsenket i elektrolytten, hvor fremgangsmåten er karakterisert ved å tilføre og fordele reduserende gass til anode-elektrolytt-grenseflaten gjennom de sammenhengende porer eller kanaler.

13. Fremgangsmåte i henhold til krav 12, karakterisert ved å tilføre både strøm og reduserende gass til anode-elektrolytt-grenseflaten gjennom anoden.

14. Fremgangsmåte i henhold til krav 12, karakterisert ved å benytte naturgass som reduserende gass.

15. Fremgangsmåte i henhold til krav 12, karakterisert ved å styre reaksjonshastigheten i reduksjonsprosessen ved å regulere strømningshastighet for tilført reduserende gass og elektrisk strømtetthet i kombinasjon.

16. Fremgangsmåte i henhold til krav 12, karakterisert ved å anvende forskjellige konstruksjoner av modifiserte HH-celler, bipolare celler, flerelektrode-celler, og vertikale, horisontale, eller skråstilte anodeoppstillinger med gassfordelingssystem og celle-konstruksjonsdeler av forskjellige ildfaste eller keramiske materialer.