NO318012B1 - Strukturelle elementer for benyttelse i en elektrolysecelle - Google Patents

Description

Strukturelle elementer for benyttelse i en elektrolysecelle

Innledning

Ved produksjon av aluminium med dagens elektrolyseteknologi, basert på såkalte Hall-Héroult celler, er driften av cellene avhengig av at det er dannet og at det vedlikeholdes et beskyttende belegg av utfrosset elektrolytt i sideforingen av cellen. Dette utfrossede badet kalles sidebelegg, og beskytter cellens sideforing mot kjemisk og mekanisk slitasje, og er en essensiell betingelse for å oppnå lange levetider på cellene. Det utkrystalliserte badet fungerer samtidig som en buffer for cellen med hensyn på endringer i varmebalanse. Under drift vil varmegenereringen og varmebalansen i cellen variere som følge av uønskede driftsforstyrrel-ser (endringer i badsurhet, endringer i aluminakonsentrasjon, endringer i interpolaravstand, etc.) og ønskede hendelser på cellene (metalltapping, anodeskift, bluss, etc). Dette fører til at tykkelsen på belegget i periferien av cellen endres, og i enkelte tilfeller vil belegget kunne forsvinne helt i deler av periferien. Da vil sideforing eksponeres mot elektrolytt og metall, som i kombinasjon med oksiderende gasser vil føre til en tæring av sideforingsmaterialene slik at disse eroderes. Over lang tids drift er ofte utrenninger i siden resultatet av slike gjentatte hendelser. Det er derfor av betydning å kontrollere beleggdannelse og beleggstabili-tet i Hall-Héroult celler. For Hall-Héroult celler med høye strømtetthet viser modellberegnin-ger at det vil være vanskelig å opprettholde sidebelegget i cellen på grunn av stor varmegenerering. For slike celler, og for tradisjonelle celler med varmebalanseproblemer, vil det derfor være en betingelse for et langt celleliv at man er i stand til å opprettholde belegget som beskyter sideforingen.

Ved produksjon av aluminium i samsvar med Hall-Héroult prinsippet, skjer dette etter dagens forhold med et relativt høyt energiforbruk målt i kilowattimer pr. kilo aluminium. Varmegenereringen i elektrolysecellen skjer som en følge av ohmske spenningsfall i cellen, for eksempel i strømtilledere, produsert metall og ikke minst i elektrolytten. Cirka 55 % av tilført energi til elektrolysecellen går med til varmeproduksjon i cellen. Litteraturdata peker på at omlag 40% av det totale varmetapet fra cellene tapes ut gjennom sideforingen. På grunn av det høye varmetapet og det beskyttende, utfrossede belegget i sideforingen, er det et fordelaktig sted å plassere elementer for varmegjenvinning i dette området av cellen.

For å optimalisere begge disse formålene simultant, det vil si kontroll av beleggdannelse og varmegjenvinning, er det viktig at varmegjenvinningen foregår så nært det dannede sidebelegget som mulig. Dette vil medføre at kontrollen med og hastigheten på beleggdannelsen er hurtigst mulig, og at temperaturforskjell mellom inngående og utgående kjølemedium er størst mulig. Sistnevnte er best for energiutnyttelse/gjenvinning.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et forbedret materialdesign og produksjon av dette for å bidra til økt kontroll med sidebeleggdannelse og muligheten for varemgjenvinning i aluminium elektrolyseceller.

Prior art

Bruk av varmeveksling for å regulere varmestrøm i aluminium elektrolyseceller er tidligere blant annet beskrevet i tyske patentpublikasjoner. Publikasjonen EP 0047227 fra Alusuisse beskriver denne teknologien. I publikasjonene beskrives det en "konstruksjon" som innfelles i cellens sideforing, og der varme ledes gjennom denne konstruksjonen og fram til utsiden av cellen der den varmeveksles mot et kjølemiddel, for eksempel basert på natrium metall. Dette kjølemedium og konstruksjonen av varmeveksleren er kjent fra tidligere publikasjoner og omtales oftest som "heat pipes". Materialet som er benyttet i kjøleenheten er laget i metall med gode varmeledende egenskaper, og for å øke effektiviteten av varmevekslingen er det lagt inn et isolasjonslag mellom karbonholdig sideforing og stålmantel i elektrolysecellen. Som påpekt i de to publikasjonene, er et av formålene med designen å regulere varmestrøm gjennom cellens sideforing og derigjennom kontrollere tykkelsen på sidebelegget. I tillegg er det vist til at oppfinnelsen også gir muligheter for å operere eksisterende celler med økt strøm-styrke, og økninger på opptil 25% er antydet.

I US Pat. nr. 4,222,841 beskrives en mulighet for varmeveksling i aluminium elektrolyseceller. Patentet er basert på introduksjon av rørformede kjølekanaler i sideforing, bunnforing og over elektrolytt. Formålet med kjølingen er å kontrollere badtemperaturen i elektrolysecellen og gjøre celledriften, i.e. beleggdannelse i sideforing, mere uavhengig av strømstyrken som tilføres cellen. Patentet beskriver ikke hvilke materialer som skal benyttes i varmeveksleren, men henviser til at disse må være motstandsdyktige mot den korrosive atmosfæren i cellen og samtidig være oksidasjonsresistente da blant annet luft er foreslått som kjølemedium.

I WO 83/01631 vises det til en anordning for varmeveksling av varme avgasser fra lukkede elektrolyseceller. Varmen i avgassene benyttes for å forvarme fødestrømmen av aluminiumoksid til elektrolysecellen, og omfatter som sådan ikke regulering av sidebeleggets tykkelse i cellen. Det er imidlertid åpenbart for dem som er "skilled in the art" at man ved endring av avsuget gassmengde fra cellen kan til en viss grad influere på elektrolysecellens totale varmebalanse.

I WO 87/00211 fra H-Invent, beskrives det et prinsipp og en metode for varmegjenvinning fra aluminium elektrolyseceller. Publikasjonen beskriver metallplater med spiralformede kanaler for ekstraksjon av varme fra sideforingen. Det kan benyttes ulike kjølemedium, og blant annet helium er spesielt nevnt i patentet. De varme avgassene fra varmeveksling i sideforingen kan benyttes til energiproduksjon ved å drive en ekspansjonsmaskin som videre driver en elektrisk generator. Materialet i varmefordelingsplatene er av metall, og for å beskytte disse platene mot flytende elektrolytt er det benyttet et utvendig sjikt med et ildfast materiale, f.eks. karbon, mot elektrolytten. Et av de mest åpenbare problemene med denne løsningen vil være å sørge for god kontakt mellom varmefordelingsplater og utvendig kleding av ildfast materiale. Dårlig kontakt mellom disse to lagene vil redusere effekten av varmevekslerinstal-lasjonen og dermed føre til redusert varmegjenvinning og redusert kontroll med sidebeleggets tykkelse i elektrolysecellen.

I norske patentsøknader NO 20002889 og NO 20014874 samt internasjonal patentsøknad WO 02/39043, alle fra Elkem Aluminium, beskrives det en annen utgave av tidligere omtalte "heat pipes" for kjøling av (blant annet) aluminium elektrolyseceller. Patentpublikasjonene beskriver "heat pipes" der natrium metall er spesielt nevnt som kjølemedium, og der elektrolysecellens sidevegger er termisk isolert med et ildfast materiale mellom stålskallet og et indre fordampningskjølt panel som står i kontakt med elektrolytt og/eller utfrosset sidebelegg. Nedre del av det fordampningskjølte panelet inneholder flytende kjølemedium som fordamper på grunn av tilført varme fra elektrolytt, og øvre del av det fordampningskjølte panelet inneholder en lukket kjølekanal forbundet med en ytre krets. I denne delen av fordampnings-kjølt panel vil kjølemedium kondensere og varme kan trekkes ut gjennom kjølemedium, fortrinnsvis ulike typer gasser, som strømmer gjennom nevnte kjølekanal. Ved varmeveksling i flere trinn, kan avgitt varme fra elektrolysecellen brukes til å drive en elektrisk turbin for generering av strøm, og dette vil resultere i en vesentlig reduksjon av det effektive elektriske energiforbruket i elektrolysecellen pr. tonn aluminium produsert. Det er angitt i patentet (NO 312770) at de fordampningskjølte panelene bør fortrinnsvis lages i et ikke-magnetisk stål. Et mulig problem ved dette patentet er knyttet opp mot vanskelighetene ved å framstille et korro-sjonsbestandig stål som vil fungere i en atmosfære bestående av oksygen og fluorider ved omlag 1000°C. Det er kjent fra litteraturen at nærvær av fluorider ved eleverte temperaturer gir sterk økning i oksidasjonshastigheten på stål.

Kort beskrivelse av oppfinnelsen

Foreliggende oppfinnelse relateres til strukturelle elementer for utforming av et sideforingsmateriale for kjøling av sideforinger i aluminium elektrolyseceller i den hensikt å kontrollere og justere sidebeleggtykkelse i cellene. Ved valgte utforming på sideforingsmaterialene er det også mulig å forestå varmeveksling av i slike celler med mulighet for gjenvinning av varme som elektrisk energi og/eller lavtemperatur varme. Med utforming av sideforingsmaterialene i foreliggende løsning forstås design, dannelse og produksjon av hulganger i materialet i den hensikt å lede kjølemedium gjennom materialet for å forestå avkjøling av sideforing og/eller varmeveksling av elektrolysecellen. Oppfinnelsen omfatter også materialer egnet for bruk i aluminium elektrolyseceller og produksjon av disse med nevnte hulganger.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelse tar utgangspunkt i at kjøling av sideforing for beleggkontroll og varmeveksling foregår inne i selve sideforingsmaterialene, snarere enn på utsiden av cellekas-sen, eller mellom cellekasse og sideforingsmaterialet i cellen. Dette krever at celleforingsma-terialene utstyres med hulrom/kanaler for innføring og uttak av kjølemedium. Oppfinnelsen skal i det etterfølgende beskrives nærmere ved eksempel og figurer hvor: Ovennevnte og ytterligere fordeler kan oppnås ved oppfinnelsen i samsvar med de vedføyde patentkrav. Figur 1 viser en første utforming av en sideforingsplate med hulganger for gjennomstrøm-ning av kjølemedium og tilkoblingspunkter for tilførsel og uttak av kjølemedium, plassert relativt til øvrige foringselementer i en aluminium elektrolysecelle, Figur 2 viser noen mulige utforminger av hulganger (kanaler) i sideforingsplater for

gjennom- strømning av kjølemedium,

Figur 3 viser skisser av ulike muligheter for variasjon av utforming av hulganger i

sideforingsplater for kontroll av temperatur på utstrømmende kjølemedium,

Figur 4 viser et en skisse av en sideforingsplate produsert i materialer silisiumnitridbundet

silisiumkarbid. Platen er fonnet ved slikkerstøping og etterfølgende nitrering, Figur 5 viser en annen mulig utforming av sideforingsplate med hulganger for gjennom-strømning av kjølemedium der produksjon er utført etter lamell-metoden, Figur 6 viser skisse av sammenstilling av ulike enheter for produksjon av varmevekslende

sideforingsplate der produksjon er utført etter lamell-metoden,

Figur 7 utforming av kjølekanaler for å oppnå enten best mulig styring av beleggdannelsen

(figur 7a) eller høyest mulig varmeoverføring til kjølemedium (figur 7b) i cellen.

Som skissert i figur 1 er prinsippene for foreliggende oppfinnelse at det er mulig å kjøle sideforingen i en aluminium elektrolysecelle ved å sørge for gjennomstrømning av et kjøleme-dium (1) i hulganger (2) eller kanaler i plater (3) som benyttes som sideforingsmateriale i aluminium elektrolyseceller. Platenes utstrekning bestemmes av behovet for kjøling i elektro-lysecellene, men vil vanligvis strekke seg fra dekksplaten (4) på elektrolysecellen (5) til høyde med katodekullenes (6) overflate. Kjølemedium (1) tilføres fra utsiden av katodekassen (7) og ekstraheres fra platene (3) også fra utsiden av katodekassen (7). Flere plater (3) kan også kobles sammen for på denne måten å lage en lengre sammenhengende kjølesløyfe (2,8).

I en tradisjonell aluminium elektrolysecelle (5) med karbonbaserte anoder (9) vil omlag 40% av cellens samlede varmetap skje gjennom sideforingen. Elektrolysecellen er også avhengig av å drives med et belegg (10) av utfrosset elektrolytt (11) i siden, og dette belegget vil i tillegg til å beskytte sideforingsplatene (3) også fungere som en selvregulering av cellen ved varierende varmegenerering i cellen. Varme vil produseres (hovedsaklig) i elektrolytten og transporteres ut gjennom sideforingen i cellen. Det er derfor mulig å regulere varmestrømmen ut fra cellen ved å tilføre et kjølemedium (1) i hulganger/kanaler (2) i cellens sideforingsplater (3). Graden av kjølende effekt vil være avhengig av fysikalske egenskaper på kjølemediet (tetthet, varmekapasitet, etc.), avhengig av mengde gjennomstrømmende kjølemedium, avhengig av overflatearealet på hulgangene, samt utforming på hulgangene (lengde) som vist i figur 2.

Figur 3 viser ulike mulige utforminger av overflaten (12,13,14,15) på hulganger (kanaler) i sideforingsplater for aluminium elektrolyseceller. Det er kjent fra litteraturen at økende overflateareal i kontaktflate mellom kjølemedium og varm overflate vil forbedre varmeover-gangen og gi en mer effektiv varmeveksler. Den mest effektive utformingen på hulgangene (2) ville derfor være små, tynne kanaler med liten diameter. Dette er imidlertid vanskelig å oppnå med de materialene som ligger til grunn for foreliggende oppfinnelse, fordi tynne kanaler vil ha en tendens til å tettes under sintring av slike keramer. Det er derfor i figur 3 vist ulike tiltak for å øke overflatearealet i hulganger basert på i all hovedsak sirkulær geometri glatt overflater (13). Disse tiltakene omfatter å lage stjerneformede overflater (12), tagget overflate (14) og sinusformede (buede) overflater (15).

Effektiviteten på kjøling av sideforingsplatene (3) i aluminium elektrolyseceller vil som nevnt være blant annet avhenge av mengde gjennomstrømmende kjølemedium og overflatearealet på hulgangene. Varme fra høytemperaturreservoaret, i.e. sideforingsplatene (3) til kjølemediet (1) vil være hurtigst ved høyeste temperaturforskjell, det vil si ved innløpet av kjølesløyfen (2) . Etter en tid i platens hulganger(2) vil kjølemediets temperatur nærme seg temperaturen på varmereservoaret, og varmetransport fra reservoaret til medium vil avta i hastighet. Det finnes derfor en optimal lengde på kjølesløyfene, avhengig av overflateareal, kjølemedium og temperaturforskjell. Figur 2 viser flere ulike mulige utforminger på kjølesløyfer (2), for å oppnå ulike grader av kjøleeffektivitet. Dersom foreliggende oppfinnelse benyttes i sammen-heng med varmeveksling (16), er det et poeng at kjølesløyfene lages slik at temperaturen av kjølemediet inn på varmeveksler (17) er så høy som mulig for å gi størst mulig effektivitet av varmevekslingen (se figur 1). Som kjølemedium kan det benyttes gasser og væsker. Varmeovergang mellom sideforingsmateriale og væsker er generelt mye bedre enn mellom sideforingsmateriale og gasser. Imidlertid er varmeoverføring også avhengig av kontaktarealet, og ved bruk av gasser må kontaktarealet gjøres størst mulig for å bedre varmeovergang, det vil si øke temperaturen på utgående gasstrøm.

Materialer som brukes i aluminium elektrolyseceller utsettes for et svært korrosivt miljø, blant annet luft ved omlag 900 - 1000°C og flytende kryolittbasert smelte ved de samme temperatu-rene. Dette stiller strenge krav til materialenes kjemiske resistens, og det er en forutsetning for foreliggende patent at materialene må kunne motstå disse forholdende uten å ødelegges. Ødeleggelse av materialene vil kunne resultere i brudd på kjølesløyfer og tap av kontroll med kjøling av sideforingen og dermed tap av kontroll med sidebeleggets (10) tykkelse og utstrekning. I tillegg til dette kravet, må også materialene som skal benyttes i foreliggende oppfinnelse kunne framstilles på en slik måte at de nevnte hulgangene (2) kan formes i materialet på en slik måte at hulgangene og/eller hele sideforingsplaten (3) er gasstette. På grunn av den kompliserte utformingen av hulgangene er det ansett som svært vanskelig å lage disse etter at sideforingsplatene (3) er ferdig framstilt. Utforming av hulganger (2) må derfor skje på et tidlig stadium i produksjonen og helst før brenning (sintring) av materialene. Materialer som er egnet for produksjon til foreliggende oppfinnelse er derfor keramiske materialer basert på oksider, borider, karbider og nitrider og/eller kombinasjoner av disse. Dette vil for alle praktiske formål si at foretrukne materialer for sideforingsplatene er slik som silisiumkarbid, silisiumnitrid, silisiumoksynitrid, aluminiumnitrid eller kombinasjoner av disse, men oppfinnelsen er ikke begrenset til disse materialene. Skissen i figur 4 viser en sideforingsplate (3) produsert av silisiumnitridbundet silisiumkarbid.

Tidligere publikasjoner nevnt og beskrevet under prior art, baseres på at en kjølende konstruksjon plasseres inn i en sideforing. Foreliggende patent utnytter det faktum at materialer kan formes slik at hulganger (2) for gjennomstrømning av kjølemedium (1) kan lages direkte i sideforingsplatene (3). Produksjon av hulganger i keramiske materialer er kjent, og en rekke forskjellige teknikker kan benyttes for å forestå dette. I foreliggende oppfinnelse er noe utvalgte metoder for produksjon av hulganger (2) i sideforingsmaterialer (3) beskrevet, men patentkravene er ikke avgrenset til disse metodene. Figurene 4, 5 og 6 viser en alternativ metode for produksjon av slike sideforingsplater med hulganger for gjennomføring av kjøle-mediumkarakterisert vedproduksjon etter den såkalte lamell- metoden.

Sideforingselementene beskrevet i foreliggende oppfinnelse kan produseres på prinsipielt to måter:

i) Slik at hver enkelt sideforingsblokk fungerer som én uavhengig varmevekslerenhet.

ii) Slik at flere sideforingsblokker fungerer som én uavhengig varmevekslerenhet, der

enhetens størrelse kan variere fra under en kvadratmeter til hele cellens side.

Ved utformingen av selve materialene og deres hulrom/kanaler, må man ta hensyn ul to fakto-rer. Det er ønsket om høyest mulig varmeoverføring til kjølemedium og ønsket om å styre beleggdannelsen/stabiliteten i cellen. For å oppnå det sistnevnte er den mest optimale metoden å legge "kjølesløyfene" horisontalt i én eller flere soner langs kassesiden. Ved riktig valg av prosesstyringsutstyr kan da beleggdannelsen i for eksempel bad/metallovergang styres separat fra beleggdannelse i nedre del og øvre del av sideforing. En annen mulighet, som i første rekke gir optimal temperatur på utgående gass, er å legge "kjølesløyfene" vertikalt i i én eller flere soner. Begge disse mulighetene er vist i figur 7.

Vanlige keramiske produksjonsmetoder som våt og tørr pressing, plastisk forming, ekstrude-ring, slikkerstøping, etc, kan benyttes for å lage platene/elementene i foreliggende oppfinnelse. Ved produksjon av elementene ved pressing, stamping, etc, kan det for eksempel formes to halve elementer av aktuelt materiale eller forløper for endelig materiale. De halve platene har en plan side som vender mot elektrolysekammer og en plan side som vender mot kassesiden. Den indre overflaten i de halve blokkene har utsparinger i form av halvsirkler, ovaler, taggede halvsirkler, etc Utsparinger i formene, som i ferdig materiale vil utgjøre kanaler/hulrom for leding av kjølemedium kan med fordel lages med sagtakker, rifler eller profiler for å øke den totale overflaten i kanalene, for derved å oppnå bedre varmeoverfø-ring til kjølemedium, slik som vist i figur 3. Etter at de to halvdelene er ferdig produsert, det vil si stampet, presset, støpt, etc, limes de to delene til hverandre. Som bindemiddel kan det benyttes et eller flere metaller, materialer av samme sammensetning som produsert materiale, forløpere til produsert materiale, kombinasjoner av tidligere nevnte materialkandidater eller andre dertil egnede kjemiske bindemidler. Platene limes sammen ved av "limet" påføres den ene eller begge de to halve platene på side med utsparinger, der limet er i form av en suspen-sjon, slurry, tørt pulver (finpartikulært) eller pasta. Dette limet kan i enkelte tilfeller også benyttes til å tette porer i materiale og dermed bidra til å lage dette gasstett, f. eks. ved å dyppe, sprøyte eller smøre overflaten på den sammenlimte platen med det tidligere nevnte limet. Det endelige sideforingselementet ferdigproduseres så ved vanlig keramisk produk-sjonsteknologi, så som sintring for å oppnå mekanisk styrke. Sintring kan foregå i kontrollert atmosfære for å oppnå deønskede materialegenskaper. Elementene kan også formes ved at et utbrenningsmateriale med form som ønsket hulgang legges inn i presseformen under fylling. Slike utbrenningsmateriale kan være basert på plast, gummi, voks, m.m. eller kombinasjoner av disse. Også andre, standardiserte metoder for tillaging av hulganger/hulrom i keramer er også mulige.

Med sideforingsmateriale i foreliggende patent legges til grunn en rekke materialer, enkelte av den allerede i bruk i dagens celler. Det sier seg selv at enkelte materialer er bedre enn andre, både som en følge av kjemiske forhold og materialkostnader. Både karbonbaserte materialer og keramiske materialer innenfor gruppen oksider, borider, karbider og nitrider, i all hovedsak basert på aluminium, silisium, titan, zirkon, eller kombinasjoner og kompositter av disse, kan benyttes i samsvar med oppfinnelsen. Preferert materialvalg er enten silisiumnitridbundet silisiumkarbid (SisN^SiC), ren silisiumkarbid (SiSiC) eller ren silisiumnitrid. SiAlON materialer er også mulige kandidater for formålet.

For å ekstrahere varme fra aluminium ekeltrolysecellen må det benyttes et egnet type kjøleme-dium for gjennomstrømning i hulgangene (2) i sideforingsplatene (3). Egnede kjølemedier i denne forbindelse er gasser eller væsker. Av egnede gasser kan nevnes luft, nitrogen, argon, helium, karbondioksid, etc, men oppfinnelsen er ikke begrenset til bruken av disse. Egnede væsker bør ha høyt kokepunkt (>300°C) ved atmosfærisk trykk. I tillegg må væskefaser være kjemisk "inert" mot det valgte materialet for sideforingsplatene, slik at disse ikke korroderes under drift. Blant mulige væskeformede kjølemedier nevnes spesielt saltsmelter, oljer, etc, men oppfinnelsen er ikke begrenset til bruken av disse. Det nevnes at også vann/damp kan benyttes.

Den varme (energi) som ekstraheres fra aluminium elektrolysecellen ved hjelp av foreliggende oppfinnelse kan benyttes på flere måter. En nært foreliggende mulighet er å benytte varmen til å forvarme føde til elektrolysecellen, det vil si motstrøms forvarming av aluminiumoksid. Dette kan for eksempel gjøres ved varme ekstrahert fra hulgangene (2) i sideplatene benyttes til å forvarne aluminiumoksid føde i en motstrøms plateformet varmeveksler. Det finnes imidlertid også andre måter å varmeveksle føde av alumina på, uten at disse spesifikt nevnes her. En annen nærliggende metode for utnyttelse av ekstrahert energi er å benytte varme til å drive en elektrisk generator, f.eks. en sterlingmotor eller en ekspansjonsmotor. Kombinasjo-nen ekspansjonsmotor/generatur er da også nevnt i WO 87/00211.

Et viktig poeng ved bruk av kjølemedium i forbindelse med kontroll av sidebelegg og ved bruk som varmeveksler er at det ikke oppstår lekkasjer i kjølesløyfen så som ved forbindelse mellom ytre kjølesløyfe (8) og hulganger (2) i sideforingselementene (3). Dette poenget er viktig uavhengig av om hvert enkelt element (3) kobles direkte mot den ytre kjølesløyfen (8) eller om flere sideforingselementer (3) skal kobles til hverandre til en større varmeveksler/kjøleenhet (16) ved at kjølemedium ledes fra blokk til blokk. Dette kan f.eks. gjøres ved at det lages overganger (18) som felles inn i de enkelte motstående blokkene for en lekkasjefri overføring av kjølemedium. Overgangene forsegles med lim av samme type som nevnt ovenfor, ildfaste sementer og/eller dertil egnede kjemiske bindemidler. Eksempel på slike overganger er referert i eksempel 4 nedenfor. Muffer eller overganger (18) mellom sideforingsplater og mellom sideforingsplater og ytre kjølesløyfe kan være basert på keramiske og/eller metalliske materialer. Med hensyn til nærvær av korrosive gasser i sideforingen ved høye temperaturer, er foretrukket materiale basert på keramer som f.eks. alumina, aluminiumsilikater, silisiumkarbid, silisiumnitrid, og/eller kombinasjoner av disse. Oppfinnelsen er imidlertid ikke begrenset til slike materialer for dette formålet. For å sikre (gass)tett overføring av kjølemedium mellom elementer og/eller mellom elementer og ytre kjølesløyfe, festes overgangene (18) med et "lim". Dette "limet" kan være basert på keramiske materialer (f.eks. ildfast sement, ildfaste mørtler, etc), glass forsegling, og/eller metalliske forseglinger. Oppfinnelsen er imidlertid ikke begrenset til slike materialer for dette formålet.

Bruk av foreliggende oppfinnelse til kontroll av beleggdannelse og/eller varmegjenvinning i aluminium elektrolyseceller kan anvendes på celler av Hall-Héroult design med karbonbaserte anoder såvel som celler med inerte anoder. I tillegg kan oppfinnelsen også anvendes på aluminium elektrolyseceller av ikke-konvensjonelt design, celler som for eksempel beskrevet i søkerens egne patentsøknad WO 02/066709 Al.

Eksempel 1:

Plater laget fra en slurry av silisium metall og SiC partikler ble formet ved slikkerstøping til en på forhånd bestemt tykkelse lik 8 mm. Etter tørking av de slikkerstøpte platene, ble det ved hjelp av et kutteverktøy basert på høytrykksvann laget hull og spor/utsparinger av ulike lengder i enkelte av platene. Deretter ble tre og tre plater limt sammen med ny slikker som lim, på en slik måte at frontplate har da hull for tilførsel/uttrekk av kjølemedium, midtplaten har hulganger for kjølemedium og bakplaten er en tett plate. Den sammensatte konstruksjonen utgjorde da en varmevekslerenhet, og denne ble plassert i en nitreringsovn for å sintre konstruksjonen til en gasstett varmevekslerenhet. Skissen i figur 5 viser utforming og sammensetning av platene til varmevekslerenhet, mens skissene i figur 6 viser andre utforminger på hulgangene (2) slik at hulgangenes lengde varieres. Variasjon i hulgangenes (2) lengde gjør at ekstrahert energimengde ved hjelp av kjølemedium (1) kan endres fra sideforingsplatene (3).

Eksempel 2:

En gipsform som ble tillaget, og etter sammenstilling av formen ble det satt inn en PET-slange fylt med stearinvoks for å angi hulrom i platen for kjølemedium. En slikker av SiC og silisium metall ble fylt i formen, og deretter ble oppsatsen tørket før nitrering ved omlag 1400°C. Hulrommet som ble dannet ved utbrenning av PET-slange og stearin utgjorde et volum på omlag 31 cm<3>og beregnet overflateareal i hulgangen var ca. 122 cm<2>. Den ferdige konstruksjonen ble testet for lekkasjer og rør for tilførsel og uttrekk av kjølemedium ble tilpasset og montert. Disse koblingene (18) til omgivende kjølesystem (8,16,17). er nærmere beskrevet senere i søknaden. Skissen i figur 4 viser ferdig framstilt varmeveksleroppsats basert på slikkerstøping av komplett sideforingsplate med utbrenningsmaterialer for dannelse av hulganger (2).

Eksempel 3:

Varmevekslerplate av silisiumnitridbundet SiC produsert som beskrevet i eksempel 2, ble montert i døråpningen på en vanlig kammerovn av typen Nabertherm. Platen ble isolert på sider og bakside ved hjelp av minimum 30 mm tykke plater av isolasjonsmaterialet Keranap 50. Termoelementer for måling av temperatur ble montert på framsiden av varmevekslerplaten, baksiden av varmevekslerplaten og i utløpet av avgassrør for kjølemedium. Arealet av platen som var i kontakt med ovnskammeret var 460 cm<2>. Ovnen ble vannet til ulike, forhåndsbestemte temperaturer, og deretter ble kontrollert gjennomstrømning av luft som kjølemedium tilført platen gjennom innløpsrør. Tabell 1 nedenfor viser målte temperaturer, gassmengder og beregnet varmeuttrekk fra forsøkene. Forsøkene viser at det kan trekkes ut til dels betydelige energimengder gjennom en løsning som skissert i foreliggende patent, og for en moderne prebake elektrolysecelle med et sideforingsareal på 10 - 12 kvaderatmeter viser forsøkene at det kan fjernes energimengder tilsvarende 1 - 25 kW, med angitt lengde og diameter på hulgang (2) og størrelse på sideforingsplaten (3).

Eksempel 4:

Varmevekslerplate av silisiumnitridbundet SiC produsert som beskrevet i eksempel 2, ble tilkoblet en ytre kjølesløyfe der luft av romtemperatur ble tilført gjennom en innløpsstuss og varm luft ble sluppet ut gjennom en utløpsstuss. SiC-elementet ble produsert med to "kopper" for innfesting av innløps- og utløpsstuss. Keramiske rør ble plassert inn i "koppene" og støpt fast med en ildfast sement av typen Cerastil og deretter herdet ved 120 - 130°C i 16 timer. Test av oppsettet ble testet for lekkasjer, og undersøkelsene viste at den valgte innfestingsme-toden for innløps- og utløpsstuss var tilstrekkelig tette mot lekkasjer. Luft som kjølemedium ble deretter tilført SiC-elementet uten lekkasjer av kjøleluft.

Claims (14)

1. Strukturelle elementer for benyttelse i en elektrolysecelle (5) for produksjon av aluminium metall fira en aluminiumholdig komponent i en saltsmelte, der den aluminiumholdig komponent i hovedsak er alumina og saltsmelten i hovedsak er basert på blandinger av NaF og A1F3og CaF2, og eventuelt alkali og jordalkali-hallider, karakteriser ved at ett eller flere av de strukturelle elementer (3) er integrert i cellens sideforing, eller utgjør i det minste en del av denne, og videre utformet med hulganger (2) for gjennomstrømming av et kjølemedium slik at de kan benyttes for aktiv kontroll av sidebeleggets (10) tykkelse og varmetransport gjennom celleforingen, idet hulgangene (2) er tilkoplet en ytre krets (8, 16,17).

2. Strukturelle elementer i samsvar med krav 1, karakterisert vedat hulgangene (2) er utformet med et hovedsaklig sirkulært tverrsnitt med glatt (13), stjerneformet (12), tagget (14) eller sinusformet (15) overflate.

3. Strukturelle elementer i samsvar med krav 1, karakterisert vedat ett eller flere strukturelle elementer (3) er anbrakt i elektrolysecellens sideforing for kjøling av elektrolysecellen (5).

4. Strukturelle elementer i samsvar med krav 1, karakterisert vedat ett eller flere strukturelle elementer (3) er anbrakt i elektrolysecellens sideforing for kontroll av beleggtykkelse og/eller energigjenvinning.

5. Strukturelle elementer i samsvar med krav 4, hvor energi fra elektrolysecellen gjenvinnes, karakterisert vedat energien benyttes til å forvarme alumina som mates til cellen.

6. Strukturelle elementer i samsvar med krav 1, karakterisert vedat elektrolysecellen (5) omfatter karbonanoder og/eller inerte anoder.

7. Strukturelle elementer i samsvar med krav 1, karakterisert vedat elektrolysecellen (5) omfatter vertikalt og/eller horisontalt stillete elektroder.

8. Strukturelle elementer i samsvar med krav 1, karakterisert vedat de strukturelle elementer (3) er tildannet av keramer basert på enten karbon, karbider, nitrider, borider eller oksider, eller blandinger av disse.

9. Strukturelle elementer i samsvar med krav 1, karakterisert vedat de strukturelle elementer (3) er tildannet av karbon, silisiumnitrid, aluminiumnitrid, silisiumkarbid, silisium oksynitrid, silisium aluminiumoksynitrid, titandibo-rid, zirkondiborid, eller blandinger av disse.

10. Strukturelle elementer i samsvar med krav 1, karakterisert vedat de strukturelle elementer (3) er tildannet ved tørr eller våt pressing, slikkerstøping og /eller stamping, der hulganger (2) lages ved spor i plater som senere limes sammen før sintring.

11. Strukturelle elementer i samsvar med krav 1, karakterisert vedat de strukturelle elementer (3) er tildannet ved bruk av såkalt "lost wax method", bruk av utbrenningsmateriale og/eller utskjæring av plater for senere sammenmon-tering etter lamellmetoden.

12. Strukturelle elementer i samsvar med krav 11-12, karakterisert vedat de strukturelle elementer (3) tildannes ved produksjonsmetoder som sikrer gasstette elementer, som lages ved optimalisering av grønn kropp og/eller glasse-ring/impregnering av ferdig materiale.

13. Strukturelle elementer i samsvar med krav 11-12, karakterisert vedat de strukturelle elementer (3) er tilordnet muffer og/eller overganger (18) for tilkopling til en ytre krets.

14. Strukturelle elementer i samsvar med krav 11-12, karakterisert vedat de strukturelle elementer (3) tildannes ved benyttelse av lim basert på ildfaste sementer, silisium metall, etc. for sammenføyning av delene før sintring og bidrag til gasstette elementer etter sintring.