NO331938B1

NO331938B1 - Method and system for energy recovery and / or cooling

Info

Publication number: NO331938B1
Application number: NO20043884A
Authority: NO
Inventors: Hans Kristian Holmen; Sigmund Gjorven
Original assignee: Norsk Hydro As; Cronus Energy As
Priority date: 2004-09-16
Filing date: 2004-09-16
Publication date: 2012-05-07
Also published as: AU2005285621A1; AU2005285621B2; CA2580038C; CA2580038A1; US20070261826A1; NO20043884D0; NO20043884L; CN101044267B; RU2384655C2; CN101044267A; BRPI0515342A; ZA200702194B; EP1805350A1; RU2007114050A; WO2006031123A1

Abstract

Den foreliggende oppfinnelsen dreier seg om en fremgangsmåte og et system for energiutvinning og/eller kjøling i minst en elektrolysecelle (1) for produksjon av et metall, spesielt aluminium, hvor cellen(e) er forsynt med en eller flere varmevekslere og hvor det sirkulerer et varmevekslermedium gjennom nevnte varmeveksler(e) og dette dirigeres videre til minst en varmeomformingsenhet, som for eksempel en ekspansjonsturbin med åpen krets (3). Ekspansjonsturbinen er koblet til en kompressor (2) som fører varmevekslermediet til cellene (1, 51). I en realisering er det koblet en andre ekspansjonsturbin (40) til en generator (41) som kan brukes til å produsere strøm. Systemet er for en stor del selvdrevet og varmevekslermediet er fortrinnsvis luft som brukes i en åpen krets.The present invention relates to a method and a system for energy extraction and/or cooling in at least one electrolysis cell (1) for the production of a metal, especially aluminium, where the cell(s) are provided with one or more heat exchangers and where a heat exchanger medium through said heat exchanger(s) and this is further directed to at least one heat conversion unit, such as an expansion turbine with an open circuit (3). The expansion turbine is connected to a compressor (2) which carries the heat exchanger medium to the cells (1, 51). In one embodiment, a second expansion turbine (40) is connected to a generator (41) which can be used to produce electricity. The system is largely self-powered and the heat exchanger medium is preferably air used in an open circuit.

Description

Den foreliggende oppfinnelsen dreier seg om en fremgangsmåte og et system for utvinning av energi eller kjøling av elektrolyseceller for metallproduksjon, hvor det trekkes ut overskuddsvarme fra cellene for å kjøle dem og/eller for å bruke den på fordelaktig vis. The present invention relates to a method and a system for extracting energy or cooling electrolytic cells for metal production, where excess heat is extracted from the cells to cool them and/or to use it advantageously.

Spesielt innbefatter oppfinnelsen en fremgangsmåte og et system for utvinning av overskuddsvarme fra elektrolyseceller i aluminiumindustrien, og omdanning av varmen som utvinnes til andre energiformer som for eksempel trykk og eventuelt elektrisk energi. Dessuten kan det komprimerte varmevekslermediet brukes til å produsere elektrisk energi og denne energien kan føres til cellene for å øke produksjonsvolumet fra de nevnte cellene og/eller redusere forbruket av strøm fra det vanlige nettet. Komprimert kjølemedium kan føres inn i cellen for å avkjøle den. In particular, the invention includes a method and a system for extracting excess heat from electrolysis cells in the aluminum industry, and converting the heat extracted into other forms of energy such as pressure and possibly electrical energy. Moreover, the compressed heat exchange medium can be used to produce electrical energy and this energy can be fed to the cells to increase the production volume from the said cells and/or reduce the consumption of electricity from the regular grid. Compressed refrigerant can be introduced into the cell to cool it.

Ved aluminiumsproduksjon vil energiforbruket i elektrolyseprosessen være omtrent 13 kWh elektrisk energi pluss et forbruk av omtrent 0,4 kg karbon (teoretisk 0,334 kg C = 3,15 kWh) pr. kg aluminium som produseres. Den teoretiske entalpien som kreves pr. kg aluminium som produseres er omtrent 6,4 kWh. Altså skjer det et energitap i cellene som skyldes at strømmen gjennom elektrolytten danner overskuddsvarme, mest på grunn av elektrisk motstand i elektrolytten. In the case of aluminum production, the energy consumption in the electrolysis process will be approximately 13 kWh of electrical energy plus a consumption of approximately 0.4 kg of carbon (theoretically 0.334 kg C = 3.15 kWh) per kg of aluminum produced. The theoretical enthalpy required per kg of aluminum produced is approximately 6.4 kWh. In other words, there is a loss of energy in the cells due to the fact that the current through the electrolyte generates excess heat, mostly due to electrical resistance in the electrolyte.

I elektrolyseceller for produksjon av aluminium er det nødvendig å holde ved like en frossen kant av fast elektrolytt langs sideveggene i cellekammeret for å unngå nedbrytning og erosjon av materialet i celleveggen. Hvis det skulle skje at denne kanten smelter ned på grunn av høy temperatur i cellen, vil det få stor innvirkning på cellens levetid. In electrolysis cells for the production of aluminium, it is necessary to maintain a frozen edge of solid electrolyte along the side walls of the cell chamber to avoid breakdown and erosion of the material in the cell wall. If it were to happen that this edge melts down due to high temperature in the cell, it will have a major impact on the life of the cell.

Hvis cellen derimot blir for kald, spesielt i bunnen, blir katoden etter hvert dekket med frossen elektrolytt eller slam som reduserer det aktive arealet for strømfordelingen slik at den elektriske motstanden øker og energiutbyttet synker på grunn av ugunstige magnetohydrodynamiske effekter. If, on the other hand, the cell becomes too cold, especially at the bottom, the cathode eventually becomes covered with frozen electrolyte or sludge which reduces the active area for current distribution so that the electrical resistance increases and the energy yield decreases due to unfavorable magnetohydrodynamic effects.

Vanligvis reguleres varmebalansen og dermed tykkelsen av den frosne kanten i en individuell celle ved å modifisere cellemotstanden gjennom anoden og katoden, mens strømstyrken er den samme for alle cellene i en seriekoblet rekke av celler. Innføring av varmeutvinningssystemer i elektrolyseceller innebærer en utfordring når det gjelder å holde balansen mellom energien som tilføres cellen og avkjølingen av hver celle. På den annen side blir det mulig med en mer fleksibel drift av cellene, blant annet med høyere strømstyrke og bedre reaksjoner på variasjoner i strømstyrken eller parametere som innvirker på kjøleforholdene, som for eksempel temperaturen i omgivelsene. Typically, the heat balance and thus the thickness of the frozen edge in an individual cell is regulated by modifying the cell resistance through the anode and cathode, while the current strength is the same for all cells in a series-connected array of cells. The introduction of heat recovery systems in electrolysis cells involves a challenge when it comes to keeping the balance between the energy supplied to the cell and the cooling of each cell. On the other hand, a more flexible operation of the cells becomes possible, among other things with higher amperage and better reactions to variations in the amperage or parameters that affect the cooling conditions, such as the temperature in the surroundings.

Når en elektrolysecelle for aluminiumsproduksjon drives optimalt, oppstår det et stort sett proporsjonalt forhold mellom strømstyrken i den elektriske kraften som tilføres og mengden av aluminium som produseres. Hvis strømstyrken skal økes, må motstanden i elektrolytten holdes ved like eller til og med økes for å opprettholde den magnetohydrodynamiske stabiliteten, hvis cellen produserer ved lavest mulig spenning. Altså øker energien som føres til cellen nærmest kvadratisk med produksjonen hvis ikke cellen modifiseres på andre måter. Som en tommelfingerregel kan man si at det er mulig å øke produksjonen så lenge temperaturen i cellen kontrolleres ved at det fjernes overskuddsvarme fra cellen. Overskuddsvarmen kan for eksempel tas ut ved å la et kjølemedium sirkulere i en lukket krets som varmeveksles med elektrolytt og smeltet metall i varmevekslere. Slike varmevekslere kan implementeres i cellens sidevegger og bunn. When an electrolytic cell for aluminum production is operated optimally, a largely proportional relationship occurs between the amperage of the electrical power supplied and the amount of aluminum produced. If the amperage is to be increased, the resistance in the electrolyte must be kept the same or even increased to maintain the magnetohydrodynamic stability, if the cell produces at the lowest possible voltage. In other words, the energy supplied to the cell increases almost squarely with the production if the cell is not modified in other ways. As a rule of thumb, it can be said that it is possible to increase production as long as the temperature in the cell is controlled by removing excess heat from the cell. The excess heat can, for example, be removed by allowing a cooling medium to circulate in a closed circuit which is heat exchanged with electrolyte and molten metal in heat exchangers. Such heat exchangers can be implemented in the side walls and bottom of the cell.

I den kjente teknikken er det publisert flere løsninger for å utvinne eller utnytte overskuddsvarmen som produseres i elektrolyseceller for aluminium. In the known technique, several solutions have been published to extract or utilize the excess heat produced in electrolysis cells for aluminium.

I dag blir vanligvis en forholdsvis liten del av varmen utvunnet og brukt for eksempel til å forvarme råstoff og anoder for å holde tritt med prosesstemperaturen som normalt ligger i området 950-965 °C. Today, a relatively small part of the heat is usually recovered and used, for example, to preheat raw material and anodes to keep up with the process temperature, which is normally in the range of 950-965 °C.

WO 98/00211 fremlegger et cellearrangement for elektrometallurgiske prosesser hvor kjølekamre med grunnflate som dekker en liten andel av celleflaten. Sammen dekker disse kjølekamrene en vesentlig andel av celleflaten uten noe større mellomrom mellom kjølekamrene. Kamrene tilpasses for å kunne motta en gjennomstrømning av kjølemedium som kontrolleres individuelt for hvert kjølekammer. Kjølemediet er fortrinnsvis helium og varmen som utvinnes kan omdannes til elektrisk energi ved hjelp av en turbin som driver en generator. WO 98/00211 presents a cell arrangement for electrometallurgical processes where cooling chambers with a base surface covering a small proportion of the cell surface. Together, these cooling chambers cover a significant proportion of the cell surface without any large spaces between the cooling chambers. The chambers are adapted to be able to receive a flow of cooling medium that is controlled individually for each cooling chamber. The cooling medium is preferably helium and the heat extracted can be converted into electrical energy by means of a turbine which drives a generator.

Hovedidéen ved denne oppfinnelsen er at kjølemediet sirkulerer i en lukket krets for hver individuelle produksjonscelle, og dermed brukes det samme mediet både for transport av varmeenergi og som arbeidsmediet i maskinen som er nødvendig for å omdanne varmeenergien til elektrisk energi. Den lukkede kretsen gjør det mulig å bruke komprimert helium som arbeidsmedium. Dette vil øke tettheten og tillate lavere hastighet og redusert gassfriksjon for en gitt kjølehastighet. Helium har høy varmekapasitet pr. masseenhet og dessuten lav viskositet og høy varmeledningsevne sammenliknet med luft. Varmeovergangshastigheten for et gitt areal og en gitt temperaturforskjell kan derfor være høy og friksjonstapet på grunn av transport av det nødvendige kvantum kjølemedium gjennom trange kanaler vil være lavt. Derfor kan alle kjølearealer og aktive arealer i varmevekslerne reduseres til en minimal størrelse, slik at det blir igjen en størst mulig andel av det tilgjengelige arealet for hovedformålet, produksjon av aluminium. The main idea of this invention is that the coolant circulates in a closed circuit for each individual production cell, and thus the same medium is used both for the transport of heat energy and as the working medium in the machine which is necessary to convert the heat energy into electrical energy. The closed circuit makes it possible to use compressed helium as the working medium. This will increase density and allow lower velocity and reduced gas friction for a given cooling rate. Helium has a high heat capacity per mass unit and also low viscosity and high thermal conductivity compared to air. The heat transfer rate for a given area and a given temperature difference can therefore be high and the friction loss due to transport of the required amount of refrigerant through narrow channels will be low. Therefore, all cooling areas and active areas in the heat exchangers can be reduced to a minimal size, so that the largest possible proportion of the available area remains for the main purpose, the production of aluminium.

Den viktigste utfordringen når det gjelder WO 87/00211 er at den lukkede kretsen med blant annet slike komponenter som varmevekslere, rekuperator, kompressor, turbin, instrumenter m.m. må være gasstett for å hindre lekkasje av arbeidsgass til atmosfæren, noe som innfører betydelige utgifter. Noen typer arbeidsgasser er dyre. Hvis det brukes helium og kretsen ikke er absolutt lekkasjesikker, kan akkumulert lekkasje gjennom nesten usynlige hull i tidens løp representere utgifter som overskrider gevinsten ved reproduksjon av strøm så vel som fordelen ved de forbedringene i kontroll av prosessen som skyldes effektiv kjøling av cellen. The most important challenge regarding WO 87/00211 is that the closed circuit with, among other things, such components as heat exchangers, recuperator, compressor, turbine, instruments etc. must be gas-tight to prevent leakage of working gas into the atmosphere, which introduces significant costs. Some types of working gases are expensive. If helium is used and the circuit is not absolutely leak-proof, accumulated leakage through almost invisible holes over time may represent an expense that exceeds the gain in power reproduction as well as the benefit of the improvements in process control resulting from effective cooling of the cell.

WO 01/94667 fremlegger en elektrolysecelle for produksjon av aluminium og en fremgangsmåte for å opprettholde en skorpe på sideveggen og for å utvinne strøm. I det minste en del av sideveggen i elektrolysecellen består av ett eller flere fordampningskjølte paneler som danner et element av en første sirkulasjonskrets. For en komplett løsning spesifiseres det tre individuelle lukkede kretser pluss en enhet for å slippe lavtemperaturenergi ut i atmosfæren. WO 01/94667 discloses an electrolytic cell for the production of aluminum and a method for maintaining a crust on the side wall and for extracting electricity. At least part of the side wall of the electrolysis cell consists of one or more evaporatively cooled panels which form an element of a first circulation circuit. For a complete solution, three individual closed circuits plus a unit to release low temperature energy into the atmosphere are specified.

Hver av elektrolysecellene krever: Each of the electrolysis cells requires:

a) Mange primære varmeopptakere (14 enheter i parallell er fremstilt på figuren), med flytende metall ved kokepunktet som medium for opptak av varmeenergi fra cellen. b) En lukket krets, fortrinnsvis med en inert gass, brukes til å ta opp varmeenergi fra kondensasjon av fordampet flytende metall i de forskjellige enhetene av den første kretsen. For den andre lukkede kretsen trengs det en separat pumpe for å sirkulere gassen. I henhold til det uttrykte formålet med WO 01/94667, å «omdanne varmeenergi til strøm med effektivitet 45 % eller mer» er det åpenbart at driftstemperaturen til denne pumpen må være høy, trolig omtrent 800 - 900 °C, og at varmevekslerne og rekuperatoren må være ekstremt effektive samt at den inerte gassen sannsynligvis må være helium eller hydrogen. Pålitelige pumper som kan være i drift under disse forholdene representerer mange tekniske utfordringer og kan siden representere en vesentlig kostnadsøkning både ved installasjon og drift. c) Det brukes en tredje lukket krets (den andre lukkede kretsen med inert gass) for å ta opp varmeenergi fra flere celler. I den tredje lukkede kretsen kombinerer en kompressor a) Many primary heat collectors (14 units in parallel are shown in the figure), with liquid metal at the boiling point as a medium for absorbing heat energy from the cell. b) A closed circuit, preferably with an inert gas, is used to absorb heat energy from the condensation of vaporized liquid metal in the various units of the first circuit. For the second closed circuit, a separate pump is needed to circulate the gas. According to the stated purpose of WO 01/94667, to "convert heat energy into electricity with an efficiency of 45% or more", it is obvious that the operating temperature of this pump must be high, probably about 800 - 900 °C, and that the heat exchangers and the recuperator must be extremely efficient and the inert gas must probably be helium or hydrogen. Reliable pumps that can be in operation under these conditions represent many technical challenges and can subsequently represent a significant increase in costs both during installation and operation. c) A third closed circuit (the second closed circuit with inert gas) is used to absorb heat energy from several cells. In the third closed circuit, a compressor combines

og en ekspansjonskrets pumpefunksjonen med omdanning av varmeenergien til mekanisk energi med en roterende aksel som også driver en elektrisk generator, I denne tredje lukkede kretsen er det også en rekuperator og en kjøler for å slippe lavtemperaturenergi ut i atmosfæren. and an expansion circuit the pumping function with conversion of the heat energy into mechanical energy with a rotating shaft which also drives an electric generator, In this third closed circuit there is also a recuperator and a cooler to release low temperature energy into the atmosphere.

US 4 222 841 viser et system for energigjenvinning fra aluminiumselektrolyseceller, hvor det kan benyttes luft som varmevekslermedium. I utførelsen som angår gjenvinning ved hjelp av en dampkjel blir luften sluppet ut til atmosfæren, alternativt blir luften resirkulert tilbake til cellen ved hjelp av en pumpe (56). Videre kan det innblandes atmosfærisk luft ved pumpen. Den oppvarmede luften blir benyttet til produksjon av elektrisk energi, ved hjelp av en turbin eller dampkjel for drift av en dampturbin. US 4,222,841 shows a system for energy recovery from aluminum electrolysis cells, where air can be used as a heat exchange medium. In the embodiment which concerns recovery by means of a steam boiler, the air is released to the atmosphere, alternatively the air is recycled back to the cell by means of a pump (56). Atmospheric air can also be mixed in at the pump. The heated air is used for the production of electrical energy, using a turbine or steam boiler to operate a steam turbine.

US 4 154 055 vedrører varmeveksling ved benyttelse av en varmeveksler som gjennomstrømmes av et varmeavgivende medium og et varmeopptakende medium. Det varmeavgivende medium ses å være forbrenningsavgass fra en ovn. For øvrig relateres løsningen til forvarming av luft for mating inn til nevnte ovn. US 4,154,055 relates to heat exchange using a heat exchanger through which a heat-emitting medium and a heat-absorbing medium flow. The heat-emitting medium is seen to be combustion exhaust gas from a furnace. Otherwise, the solution is related to preheating air for feeding into the aforementioned oven.

I henhold til den foreliggende oppfinnelsen som er definert i de vedlagte kravene, kan man overvinne en eller flere av manglene, kompliseringene eller ulempene ved den kjente teknikken. According to the present invention which is defined in the appended claims, one or more of the shortcomings, complications or disadvantages of the known technique can be overcome.

Den foreliggende oppfinnelsen dreier seg om energiutvinning fra elektrolytiske produksjonsceller. Spesielt egner oppfinnelsen seg for kjøling og varmeutvinning i elektrolyseceller og prosesser for produksjon av aluminium. The present invention concerns energy recovery from electrolytic production cells. In particular, the invention is suitable for cooling and heat recovery in electrolysis cells and processes for the production of aluminium.

Hovedmålet for den foreliggende oppfinnelsen likner målet for WO 87/00211 og for WO 01/94667 og baserer seg på behovet for kontrollert fjerning av overskuddsvarme fra elektrolyseceller samt omdanning av en vesentlig andel av denne varmeenergien til mekanisk energi. The main objective of the present invention is similar to the objective of WO 87/00211 and of WO 01/94667 and is based on the need for controlled removal of excess heat from electrolysis cells and conversion of a significant proportion of this heat energy into mechanical energy.

Den mekaniske energien kan forholdsvis lett omdannes til strøm, komprimert luft og/eller andre former av potensiell energi som kan brukes i industriprosesser. På liknende måte som i WO 87/00211 kan man bruke ett og samme arbeidsmedium både til kjøling av industriprosessen og som arbeidsmedium i maskinen som brukes til å omdanne den opptatte varmeenergien til mekanisk energi. The mechanical energy can relatively easily be converted into electricity, compressed air and/or other forms of potential energy that can be used in industrial processes. In a similar way as in WO 87/00211, one and the same working medium can be used both for cooling the industrial process and as working medium in the machine which is used to convert the captured heat energy into mechanical energy.

Det er imidlertid her den foreliggende oppfinnelsen skiller seg fra den kjente teknikken: Den foreliggende oppfinnelsen baserer seg på et selvdrevet kjølesystem hvor det brukes luft som arbeidsmedium i motsetning til den kjente teknikken, som bruker et annet arbeidsmedium (fortrinnsvis en inert gass). However, this is where the present invention differs from the known technique: The present invention is based on a self-powered cooling system where air is used as the working medium in contrast to the known technique, which uses a different working medium (preferably an inert gas).

Luft er det eneste kjølemediet som kan håndteres på rimelig måte i et system med åpen krets. For andre kjølemedier enn luft trenger systemet av åpenbare grunner en lukket krets for å hindre store tap av arbeidsmedium til atmosfæren. Air is the only refrigerant that can be reasonably handled in an open circuit system. For refrigerants other than air, the system obviously needs a closed circuit to prevent large losses of working medium to the atmosphere.

Tap av arbeidsmedium til atmosfæren vil også være et problem hvis det plutselig eller gradvis skulle oppstå en lekkasje under driften av det lukkede systemet. Kjølesystemet bør fungere kontinuerlig og uforstyrret i hele levetiden til elektrolysecellen og alle lekkasjer kan lett bygge seg opp til tap av store mengder (dyrt) kjøle-/arbeidsmedium (som helium og liknende) og dermed øke driftsutgiftene til systemet. Loss of working medium to the atmosphere would also be a problem if a leak were to occur suddenly or gradually during the operation of the closed system. The cooling system should work continuously and undisturbed throughout the lifetime of the electrolysis cell and all leaks can easily build up to the loss of large amounts of (expensive) cooling/working medium (such as helium and the like) and thus increase the operating costs of the system.

Noen lekkasjer kan repareres uten for mange problemer, men når cellen er i drift, er det nesten umulig å reparere de fleste sprekker og lekkasjer i forbindelse med kjølekamrene og koblingene som vanligvis vil måtte integreres i sideveggene til produksjonscellene. Some leaks can be repaired without too much trouble, but once the cell is in operation, it is almost impossible to repair most of the cracks and leaks associated with the cooling chambers and fittings that would normally have to be integrated into the side walls of the production cells.

Et system med åpen krets er mye mindre sårbart for lekkasjer enn et lukket system siden kjølemediet i et system med åpen krets alltid skal ut i atmosfæren. De fleste sprekker og lekkasjer som kan oppstå under driftslevetiden vil ikke ha noen vesentlig innflytelse på kjølefunksjonen i cellen, men kan selvsagt redusere utbyttet av utvunnet energi (elektrisitet, komprimert luft m.m.). An open circuit system is much less vulnerable to leaks than a closed system since the refrigerant in an open circuit system must always escape to the atmosphere. Most cracks and leaks that can occur during the operating life will not have any significant influence on the cooling function in the cell, but can of course reduce the yield of extracted energy (electricity, compressed air, etc.).

Hittil har man unngått luft som kjølemedium i trange kanaler så lenge kanalene lages av metall og bygges inn i kjølepaneler inne i foringen i veggene til elektrolysecellene. Temperaturen på innerflaten av kjølekanalene kan av og til overskride punktet der det metalliske materialet vil reagere med oksygen i luften. Up until now, air has been avoided as a cooling medium in narrow channels as long as the channels are made of metal and built into cooling panels inside the lining in the walls of the electrolysis cells. The temperature on the inner surface of the cooling ducts can occasionally exceed the point where the metallic material will react with oxygen in the air.

Søkernes egen patentsøknad NO 2003 1220 som dreier seg om varmevekslerpaneler, baserer seg på bruk av keramiske materialer som silisiumkarbid til kontaktmateriale i de forholdsvis trange kanalene. Siden reaksjon mellom silisiumkarbid og oksygen bare kan skje ved høyere temperatur enn den normale prosesstemperaturen i elektrolysecellene, skulle det være uproblematisk å bruke luft i denne sammenhengen. Altså kan denne typen varmevekslere være meget velegnede til bruk i henhold til den foreliggende oppfinnelsen. The applicants' own patent application NO 2003 1220, which concerns heat exchanger panels, is based on the use of ceramic materials such as silicon carbide as contact material in the relatively narrow channels. Since the reaction between silicon carbide and oxygen can only take place at a higher temperature than the normal process temperature in the electrolysis cells, it should be unproblematic to use air in this context. Thus, this type of heat exchanger can be very suitable for use according to the present invention.

Hvis diameteren og lengden av kanalene optimaliseres for bruk av luft i stedet for en inert gass, vil luften ta opp den nødvendige energimengden i form av overskuddsvarme - som om det ble brukt en inert gass. Sammenliknet for eksempel med helium, vil bruk av luft bare føre til en liten økning i kanaldiameter, kanallengde og friksjonstap. If the diameter and length of the channels are optimized for the use of air instead of an inert gas, the air will absorb the required amount of energy in the form of excess heat - as if an inert gas were used. Compared to, for example, helium, the use of air will only lead to a small increase in channel diameter, channel length and friction loss.

Den viktigste fordelen som oppnås ved å bruke luft i en åpen krets er imidlertid at komponenten som fortrinnsvis brukes til å sirkulere luften gjennom kjølekanalene allerede finnes i form av turboladere, som vanligvis brukes til å utvinne overskuddsenergi fra avgassene fra dieselmotorer. Turboladere har godt rykte for pålitelighet og lang driftslevetid. Siden de har vært tilgjengelige som industrikomponenter i lang tid, er utgiftene pr. enhet forholdsvis lav. However, the main advantage gained by using air in an open circuit is that the component that is preferably used to circulate the air through the cooling ducts already exists in the form of turbochargers, which are usually used to extract excess energy from the exhaust gases of diesel engines. Turbochargers have a good reputation for reliability and long service life. Since they have been available as industrial components for a long time, the costs per unit relatively low.

Kompressordelen av turboladeren komprimerer luften fra atmosfæretrykk og temperatur til høyere tetthet enn atmosfæren, noe som innebærer at hastigheten til luften gjennom kjølekanalene reduseres sammen med friksjonstapet i kanalene. Etter at luften har passert gjennom kjølekanalene, har den høyere temperatur. Friksjonen vil føre til et tap i trykk og en ekstra marginal temperaturøkning før luften kommer inn i ekspansjonsturbinen til turboladeren. Under slike forhold som beskrives her for kjøling av elektrolysecellene, vil turbinen produsere mer mekanisk energi enn det som trengs for å drive kompressoren. The compressor part of the turbocharger compresses the air from atmospheric pressure and temperature to a higher density than the atmosphere, which means that the speed of the air through the cooling channels is reduced together with the friction loss in the channels. After the air has passed through the cooling channels, it has a higher temperature. The friction will cause a loss in pressure and an additional marginal increase in temperature before the air enters the expansion turbine of the turbocharger. Under such conditions as are described here for cooling the electrolytic cells, the turbine will produce more mechanical energy than is needed to drive the compressor.

Overskuddsvarmen som utvinnes kan derfor omdannes til trykkenergi og i én realisering til elektrisk energi, Omdanningen kan skje i en varmekraftmaskin, turbin eller liknende. Turbinen kan brukes til å drive en kompressor, generator eller liknende. The surplus heat that is extracted can therefore be converted into pressure energy and, in one implementation, into electrical energy. The conversion can take place in a thermal power machine, turbine or similar. The turbine can be used to drive a compressor, generator or similar.

Alternativt kan varmeenergien brukes til å produsere damp for å drive en dampturbin. I én realisering av den foreliggende oppfinnelsen føres energien som utvinnes tilbake til den samme cellen som den ble utvunnet fra. I en annen realisering leverer energiomdanningssystemet energi til flere celler eller til det offentlige nettet. Varmevekslerkretsen kan fortrinnsvis være åpen. Alternatively, the heat energy can be used to produce steam to drive a steam turbine. In one embodiment of the present invention, the energy extracted is returned to the same cell from which it was extracted. In another embodiment, the energy conversion system supplies energy to several cells or to the public grid. The heat exchanger circuit can preferably be open.

Disse og andre fordeler kan oppnås med oppfinnelsen i henhold til de vedføyde patentkrav. These and other advantages can be achieved with the invention according to the appended patent claims.

Oppfinnelsen forklares nedenfor med figurer og eksempler hvor: Fig. 1 fremlegger en første realisering hvor det utvinnes energi fra en The invention is explained below with figures and examples where: Fig. 1 presents a first realization where energy is extracted from a

aluminiumselektrolysecelle i en energiomdanningsenhet, aluminum electrolysis cell in an energy conversion unit,

Fig. 2 fremlegger en andre realisering for energiutvinning fra én celle, Fig. 2 presents a second realization for energy extraction from one cell,

Fig. 3 fremlegger en tredje realisering for energiutvinning som innbefatter én brenner, Fig. 4 fremlegger en fjerde realisering for energiutvinning som innbefatter to Fig. 3 presents a third realization for energy extraction which includes one burner, Fig. 4 presents a fourth realization for energy extraction which includes two

energiomdanningsenheter, energy conversion units,

Fig. 5 fremlegger en femte realisering for energiutvinning fra mer enn én celle, hvor det Fig. 5 presents a fifth realization for energy extraction from more than one cell, where it

brukes én (1) energiomdanningsenhet, one (1) energy conversion unit is used,

Fig. 6 fremlegger en sjette realisering for energiutvinning fra flere celler, hvor det brukes en felles elektrisk energigenerator, Fig. 7 fremlegger en syvende realisering for energiutvinning fra flere celler, hvor minst Fig. 6 presents a sixth realization for energy extraction from several cells, where a common electrical energy generator is used, Fig. 7 presents a seventh realization for energy extraction from several cells, where at least

en del av en kuldeside av kretsen er felles. part of a cold side of the circuit is common.

Fig. 1 viser en aluminiumselektrolysecelle 1 med kanaler 6, 8 for et sirkulerende medium. Kanalen 6 befinner seg på kuldesiden av kretsen, mens kanal 8 er på varmesiden. Mediet kan være en gass, fortrinnsvis luft, men det kan også brukes andre gasser med akseptable egenskaper. I cellen kan det anbringes varmevekslere (ikke fremstilt på figuren). Varmevekslerne kan fortrinnsvis være av typen som inngår i søkerens egen patentsøknad NO 2003 1220. Fig. 1 shows an aluminum electrolysis cell 1 with channels 6, 8 for a circulating medium. Channel 6 is on the cold side of the circuit, while channel 8 is on the hot side. The medium can be a gas, preferably air, but other gases with acceptable properties can also be used. Heat exchangers (not shown in the figure) can be placed in the cell. The heat exchangers can preferably be of the type included in the applicant's own patent application NO 2003 1220.

Oppvarmet medium fra cellen transporteres til en ekspansjonsturbin 3 som er mekanisk koblet til en kompressor 2, for eksempel med en aksel 4. Utløpet fra kompressoren 2 er koblet til kanalen 6, fortrinnsvis gjennom en tilbakeslagsventil 7 for å sirkulere medium til varmevekslerne i cellen 1. Kompressoren kan ha et innløp 5 som kan slippe inn luft fra omgivelsene, fortrinnsvis etter at den er kondisjonert gjennom et filter og en dråpefanger (ikke fremstilt på figuren). På utløpssiden av turbinen kan det anbringes en strupeventil 10, før gassen kommer inn i en avgasslinje 9. Figur 2 er basert på de samme prinsippene som er nevnt for figur 1, men i tillegg er det en forgrening med en kontroll ventil mellom kanalene som fører medium til/fra cellen 1. Hensikten med forgreningen som innbefatter ventilen 20, er å føre medium fra kuldesiden direkte til varmesiden uten å gå gjennom varmevekslerne i cellen, og ventilen gjør det mulig å kontrollere strømmen av kjølemedium gjennom cellen 1 og dermed kontrollere kjølevirkningen. Figur 3 er basert på prinsippene som er beskrevet for figur 2.1 tillegg innbefatter kanalen på varmesiden av cellen 1 en brenner 30. Brenneren kan tilføres en gass som inneholder oksygen, som for eksempel luft, gjennom den ovennevnte forgreningen. Hensikten med brenneren er å heve energinivået (temperaturen) i gassen som utvinnes fra cellen, for å sikre at ekspansjonsturbinen(e) kjøres mer effektivt og stabilt. Brenneren kan holde innløpstemperaturen til ekspansjonsturbinen konstant uavhengig av utløpstemperaturen. Dessuten kan brenneren brukes hvis strømprisen fra det offentlige nettet er høy eller hvis det er knapphet på elektrisk kraft. Figur 4 viser en fjerde realisering basert på prinsippene som beskrives på figur 3. På figur 4 har varmesiden av kretsen fra celle 1 i tillegg til brenneren 3 og turbinen 3 med avgassrøret 9 en ekstra turbin 40 som er koblet til en generator 41 nedstrøms for avgassrøret. Denne realiseringen gjør det mulig å føre den elektriske kraften som utvinnes tilbake til cellen(e) som kraftbidrag til elektrolyseprosessen. Figur 5 viser en realisering basert på prinsippene fra den realiseringen som er fremstilt på figur 3. I tillegg til elementene fra denne realiseringen er det koblet en eller flere ekstra celler 51 i parallell med hovedkretsen med kanaler 52 (kuldesiden) og 53 (varmesiden) som henholdsvis står i forbindelse med kanalene 6 og 8. Ved kuldesideforbindelsen mellom de nevnte cellene 1, 51 er det anbrakt en treveisventil 50 for å kontrollere mengden av sirkulerende medium i nabokanalene. Fordelen med å koble flere celler til den samme energiutvinningsenheten er at flere celler vil bidra til å jevne ut oppførselen til de individuelle cellene, og utvinningsenheten vil ha mer stabile driftsforhold. Dessuten vil det være mulig å redusere investeringene ved å bruke en større kompressor-/turbinenhet for flere celler. En ulempe er at det vil kreve et mer komplisert røropplegg. Investeringene reduseres betydelig ved at kontrollventilene befinner seg på kuldesiden i stedet for på varmesiden av cellen. Figur 6 er basert på prinsippene fra realiseringen som er fremlagt på figur 5 hvor flere celler 1, 51, kombineres ved hjelp av kanalene 52, 53, og hvor varmesidekanalen 8 innbefatter brenner, ekspansjonsturbin med avgassrør 9. Avgassrøret er dessuten koblet til en andre ekspansjonsturbin 40 som driver en generator 41. Denne realiseringen gjør det mulig å føre kraften som utvinnes tilbake til cellene som bidrag til elektrolyseprosessen. Figur 7 fremlegger et arrangement med to celler, 1,51 som er sammenkoblet på kuldesiden. Begge cellene 1,51 har en kompressor 2,72 og et Heated medium from the cell is transported to an expansion turbine 3 which is mechanically connected to a compressor 2, for example with a shaft 4. The outlet from the compressor 2 is connected to the channel 6, preferably through a check valve 7 to circulate medium to the heat exchangers in the cell 1. The compressor can have an inlet 5 which can admit air from the surroundings, preferably after it has been conditioned through a filter and a droplet catcher (not shown in the figure). On the outlet side of the turbine, a throttle valve 10 can be placed, before the gas enters an exhaust line 9. Figure 2 is based on the same principles as mentioned for Figure 1, but in addition there is a branch with a control valve between the channels that lead medium to/from cell 1. The purpose of the branch which includes valve 20 is to lead medium from the cold side directly to the hot side without going through the heat exchangers in the cell, and the valve makes it possible to control the flow of cooling medium through cell 1 and thus to control the cooling effect. Figure 3 is based on the principles described for Figure 2.1 addition, the channel on the hot side of the cell 1 includes a burner 30. The burner can be supplied with a gas containing oxygen, such as air, through the above-mentioned branching. The purpose of the burner is to raise the energy level (temperature) in the gas extracted from the cell, to ensure that the expansion turbine(s) run more efficiently and stably. The burner can keep the inlet temperature of the expansion turbine constant regardless of the outlet temperature. In addition, the burner can be used if the electricity price from the public grid is high or if there is a shortage of electricity. Figure 4 shows a fourth realization based on the principles described in Figure 3. In Figure 4, the heating side of the circuit from cell 1 has, in addition to the burner 3 and the turbine 3 with the exhaust pipe 9, an additional turbine 40 which is connected to a generator 41 downstream of the exhaust pipe . This realization makes it possible to feed the electrical power that is extracted back to the cell(s) as a power contribution to the electrolysis process. Figure 5 shows an implementation based on the principles from the implementation shown in Figure 3. In addition to the elements from this implementation, one or more additional cells 51 are connected in parallel with the main circuit with channels 52 (cold side) and 53 (heating side) which respectively are in connection with channels 6 and 8. At the cold side connection between the aforementioned cells 1, 51, a three-way valve 50 is placed to control the amount of circulating medium in the neighboring channels. The advantage of connecting several cells to the same energy recovery unit is that more cells will help smooth out the behavior of the individual cells, and the recovery unit will have more stable operating conditions. Also, it will be possible to reduce investments by using a larger compressor/turbine unit for more cells. A disadvantage is that it will require a more complicated piping system. Investments are significantly reduced by the fact that the control valves are located on the cold side instead of on the hot side of the cell. Figure 6 is based on the principles from the realization presented in Figure 5 where several cells 1, 51 are combined by means of the channels 52, 53, and where the hot side channel 8 includes a burner, expansion turbine with exhaust pipe 9. The exhaust pipe is also connected to a second expansion turbine 40 which drives a generator 41. This realization makes it possible to return the power that is extracted to the cells as a contribution to the electrolysis process. Figure 7 presents an arrangement with two cells, 1.51 which are interconnected on the cold side. Both cells 1.51 have a compressor 2.72 and a

ekspansjonsturbinarrangement 3,73 hvor ekspansjonsturbinen driver kompressoren ved hjelp av en aksel 4,74. Dessuten har cellene kuldesidekanaler 6, 76 som forbinder kompressoren 2,72 med cellen 1,51 og varmesidekanaler 8,78 som forbinder varmesiden av cellene 1, 51 med turbinene 3, 73. expansion turbine arrangement 3.73 where the expansion turbine drives the compressor by means of a shaft 4.74. In addition, the cells have cold side channels 6, 76 which connect the compressor 2, 72 to the cell 1, 51 and hot side channels 8, 78 which connect the hot side of the cells 1, 51 to the turbines 3, 73.

På kuldesiden av kretsene er det anbrakt treveisventiler 81, 82 i kanalene 6, 76 slik at det kan trekkes ut overskudd av kaldt, komprimert medium. Det kalde mediet samles i en kanal 80 og føres videre til en trykkomvandlingsenhet (70) som er koblet til en elektrisk generator (71). Overskuddet av komprimert luft fra mer enn to celler kan kobles til kanal 80. Trykkomvandlingsenheten kan være en ekspansjonsmotor som for eksempel en gassmotor, en luftturbin eller liknende. Fordelen med denne realiseringen er at det transporteres kaldere luft i kanalen 80 i stedet for at luften som tas ut har høyere temperatur som i de foregående eksemplene. On the cold side of the circuits, three-way valves 81, 82 are placed in the channels 6, 76 so that an excess of cold, compressed medium can be extracted. The cold medium is collected in a channel 80 and passed on to a pressure conversion unit (70) which is connected to an electric generator (71). The surplus of compressed air from more than two cells can be connected to channel 80. The pressure conversion unit can be an expansion engine such as a gas engine, an air turbine or the like. The advantage of this realization is that colder air is transported in the channel 80 instead of the air being taken out having a higher temperature as in the previous examples.

Kaldere luft har mindre volum pr. masseenhet enn varm luft. Dette vil redusere lufthastigheten i kanalen for en gitt rørgeometri og en gitt massestrøm. Dette vil gi lavere friksjonstap enn ved transport av varm luft. Siden temperaturen er lavere, kan varmetapet holdes lavt med mindre og billigere isolasjon. Colder air has less volume per mass unit than hot air. This will reduce the air velocity in the duct for a given pipe geometry and a given mass flow. This will result in lower friction losses than when transporting hot air. Since the temperature is lower, heat loss can be kept low with less and cheaper insulation.

Varmekraftmaskinen (turbolader eller kompressor/ekspansjonsturbin) som fremlegges i de ovennevnte realiseringene kan dimensjoneres for å komprimere luften til et overtrykk på vanligvis 3-5 bar. Dermed vil temperaturen øke fra romtemperatur til vanligvis 200-300 °C. Siden temperaturen er høyere enn i omgivelsene, vil det bli mindre materialstress på grunn av temperatursjokket når kjølemediet går inn i kjølekanalene. Den komprimerte luften fordeles mellom mange varmevekslere som inneholder kjølekanaler, fortrinnsvis av typen som omtales i søkernes egen patentsøknad NO 2003 1220. Den komprimerte luften vil ta opp overskuddsvarme fra elektrolysecellen og dermed kjøle sideveggen. The thermal power machine (turbocharger or compressor/expansion turbine) presented in the above-mentioned realizations can be dimensioned to compress the air to an overpressure of usually 3-5 bar. The temperature will thus increase from room temperature to usually 200-300 °C. Since the temperature is higher than in the surroundings, there will be less material stress due to the temperature shock when the refrigerant enters the cooling channels. The compressed air is distributed between many heat exchangers containing cooling channels, preferably of the type mentioned in the applicants' own patent application NO 2003 1220. The compressed air will take up excess heat from the electrolysis cell and thus cool the side wall.

Bare en del av den oppsamlede energien vil vanligvis være nødvendig for å overvinne trykktapet i kjølekanalene. Det kan også være noen sprekker og små lekkasjer i noen av kanalene som vil føre til trykktap. Når luften oppvarmes vil volumet øke. Derfor kan det produseres mer mekanisk energi i ekspansjonsdelen av varmekraftmaskinen enn hva som trengs for å drive kompressoren. Dette betyr at kun en del av det overtrykk som er tilstede før ekspansjonsdelen behøves for å drive kompressoren. Only part of the collected energy will usually be needed to overcome the pressure loss in the cooling channels. There may also be some cracks and small leaks in some of the channels which will lead to a loss of pressure. When the air is heated, the volume will increase. Therefore, more mechanical energy can be produced in the expansion part of the heat engine than is needed to drive the compressor. This means that only part of the excess pressure that is present before the expansion part is needed to drive the compressor.

Vi har her følgende valgmuligheter: Here we have the following options:

a) En generator kan kobles til varmekraftmaskinen. Ekspansjonskretsen vil nå produsere strøm. a) A generator can be connected to the heat generator. The expansion circuit will now produce current.

b) Det kan tilkobles en kompressor som produserer komprimert luft. b) A compressor that produces compressed air can be connected.

c) En hydraulisk pumpe kan produsere hydraulisk energi. c) A hydraulic pump can produce hydraulic energy.

d) Det kan kobles en andre ekspansjonskrets i serie med den første og dermed kan det d) A second expansion circuit can be connected in series with the first and thus it can

totale trykkpotensialet fordeles mellom de to atskilte enhetene. the total pressure potential is distributed between the two separate units.

Dessuten må man være klar over at turboladerenheten fortrinnsvis kan være av en type som fås i handelen, omtrent som slike turboladere som brukes i tungtransportbiler eller skipsmotorer med turboladning til forbrenningsmotorene. Ved å bruke kommersielle moduler vil det dermed være mulig å holde utgiftene på et levedyktig nivå. Furthermore, one must be aware that the turbocharger unit can preferably be of a commercially available type, much like such turbochargers used in heavy transport vehicles or marine engines with turbocharging for the internal combustion engines. By using commercial modules, it will thus be possible to keep expenses at a viable level.

En elektromotor-generator (ikke fremstilt på figurene) kan drives direkte eller gjennom en kraftoverføring til turboladerens aksel, for å hjelpe til med pumpe-/komprimeringsaktiviteten ved behov. Slikt behov kan oppstå for eksempel ved oppstart eller hvis det må fjernes store mengder varme fra cellen. Dessuten kan generatoren brukes til å utvinne overskuddsenergi når det er mulig. Motor-generatoren kan altså kontrolleres med en datamaskin eller liknende og dermed brukes til å kontrollere strømmen av medium gjennom cellen. An electric motor-generator (not shown in the figures) can be driven directly or through a power transmission to the turbocharger shaft, to assist in the pumping/compression activity as needed. Such a need can arise, for example, at start-up or if large amounts of heat must be removed from the cell. In addition, the generator can be used to extract excess energy when possible. The motor-generator can therefore be controlled with a computer or similar and thus used to control the flow of medium through the cell.

Claims

1. Method for energy recovery and/or cooling in at least one electrolysis cell (1, 51) for the production of a metal, in particular aluminum, where the cell(s) is provided with one or more heat exchangers and where a heat exchange medium circulates through said heat exchangers). and this is further directed to at least one heat conversion unit, which consists of an expansion turbine (3), characterized by the expansion turbine (3) is connected to a compressor (2) which conveys a heat exchange medium consisting of air at elevated pressure to the cell (1, 51) for heat exchange and cooling of the cell in a largely self-powered manner, heat being extracted by means of the heat exchangers ) consisting of a material which is essentially inert with regard to oxygen at the prevailing pressure and temperature conditions, preferably a ceramic material, and where a motor-generator is mechanically connected to the assembly of expansion turbine (3) and compressor (2).

2. Procedure according to claim 1, characterized by the air is taken from the surroundings.

3. Procedure according to claim 1, characterized by the air is released to the environment after it has passed through the heat conversion unit.

4. Procedure according to claim 1, characterized by the air is passed through a burner (30) to increase the temperature of the air before it is passed to at least one heat conversion unit (3, 40).

5. Procedure according to claim 1, characterized by the surplus of cold air is passed through the valves (81, 82) before being fed into the unit for converting heat/pressure into electrical current (70).

6. System for energy extraction and/or cooling in at least one electrolysis cell (1, 51) for the production of metal, in particular aluminium, where the cell has one or more heat exchangers and where a heat exchanger medium circulates through said heat exchanger(s), and this is directed further to at least one first heat conversion unit, which consists of an expansion turbine (3), characterized by the expansion turbine (3) is connected via a shaft to a compressor (2) which carries a heat exchange medium consisting of air to the cells (1, 51) for heat exchange, the heat exchanger(s) being made of a material which is essentially inert in relation to to oxygen under the prevailing pressure and temperature conditions, preferably a ceramic material, a motor-generator being mechanically connected to the assembly of expansion turbine (3) and compressor (2).

7. System according to claim 6, characterized by the air circulates in a circuit (5, 6, 8, 9) which is open to the surroundings.

8. System according to claim 6, characterized by there is a burner (30) between the cell(s) (1, 51) and the heat conversion unit (3).

9. System according to claim 6, characterized by there is a second expansion turbine (40) downstream of the first heat conversion unit (3).

10. System according to claim 9, characterized by the second turbine (40) is connected to a generator (41) for electric power production.

11. System according to claim 10, characterized by the electrical power produced is sent back to the cell(s) or to the public power grid.

12. System according to claim 6, characterized by cold air compressed by the compressor(s) (2, 72 or others) is expanded in an expansion engine (70) which preferably drives one generator (71).

13. System according to claim 6, characterized by the material in the heat exchanger(s) comprises silicon carbide.

14. System according to claim 6, characterized by the pressure in the air entering the heat exchangers is between 3 and 5 bar.

15. System according to claim 6, characterized by the temperature of the air entering the heat exchangers is between 200° C and 300° C.