SK287364B6 - Elektrolyzér na výrobu hliníka, linka obsahujúca elektrolyzéry, spôsob udržiavania kôry na bočnej stene elektrolyzéra a spôsob získavania elektriny z elektrolyzéra - Google Patents

Abstract

Elektrolyzér (1) obsahuje anódu a elektrolytickú vaňu (2), pričom elektrolytická vaňa obsahuje vonkajší plášť (3) z ocele, pričom uhlíkové bloky (4) na dne vane tvoria katódu elektrolyzéra, a na vnútornej strane časti oceľového plášťa tvoreného vnútornými bočnými stenami je uložený materiál, odolný voči teplu pri vysokých teplotách a tepelne izolačný pri vysokých teplotách. Aspoň časť bočnej steny elektrolytickej vane pozostáva z jedného alebo viacej panelov (7) chladených odparovaním uložených na vnútornej strane teplu odolného a tepelne izolačného materiálu (6). Panely (7) majú v sebe prvé chladiace médium, ktorého teplota sa pri spôsobe udržiava taká, že teplota na strane panelov obrátenej do roztaveného kúpeľa je ľahko pod teplotou roztaveného kúpeľa, takže sa na uvedenej prvej strane panelov tvorí kôra. Teplota prvého chladiaceho média sa udržiava prostredníctvom druhého chladiaceho média, ktoré sa necháva obiehať prvou uzatvorenou slučkou (10), takže dochádza k výmene tepla medzi médiami. Pri spôsobe uskutočnenom so spätným získavaním elektriny sa vymieňa teplo medzi druhým chladiacim médiom a tretím chladiacim médiom, obiehajúcom v druhej uzatvorenej slučke (18), pomocou výmenníka (14) tepla, čím sa chladí uvedené druhé chladiace médium, a z uvedeného tretieho chladiaceho média sa odoberá teplo prostredníctvom plynovej turbíny (19) a elektrického generátora (20), takže sa vyrába elektrina.

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka elektrolyzérov na výrobu hliníka, spôsobu udržiavania kôry na bočnej stene elektrolyzéra na výrobu hliníka a spôsobu spätného získavania elektriny z elektrolyzéra na výrobu hliníka.

Doterajší stav techniky

Hliník sa vyrába v elektrolyzéroch obsahujúcich elektrolytickú vaňu s katódou a anódou, ktorá je buď samospekavá uhlíková anóda alebo viacej vopred vypálených uhlíkových anód. Oxid hliníka sa zavádza do kúpeľa na báze kryolitu, v ktorom je rozpustený oxid hlinitý. Počas elektrolytického procesu sa vyrába na katóde hliník a vytvára vrstvu roztaveného hliníka na dne elektrolytickej vane s kryolitovým kúpeľom plávajúcim na hliníkovej vrstve. Na anóde sa vyvíja plynný CO, spôsobujúci spotrebovanie anódy. Prevádzková teplota kryolitového kúpeľa je normálne od okolo 920 °C do okolo 950 °C.

Elektrolytická vaňa pozostáva z vonkajšieho oceľového plášťa, majúceho na dne uhlíkové bloky. Bloky sú pripojené k elektrickým zberniciam, v dôsledku čoho uhlíkové bloky fungujú ako katóda. Bočné steny elektrolytickej vane sú všeobecne obložené žiaruvzdorným materiálom pri oceľovom plášti, a na vnútornej strane žiaruvzdorného materiálu je vytvorená vrstva uhlíkových blokov alebo uhlíkovej pasty. Existuje rad typov obkladacích materiálov a spôsobov usporiadania obloženia bočnej steny.

Počas prevádzky elektrolyzéra sa vytvára na bočných stenách elektrolytickej vane kôra alebo pásmo stuhnutého („zmrznutého“) kúpeľa. Hrúbka tejto vrstvy sa počas prevádzky elektrolyzéra môže meniť. Tvorba tejto kôry a jej hrúbka sú rozhodujúce na prevádzku elektrolyzéra. Ak sa stane kôra príliš hrubou, bude rušiť prevádzku elektrolyzéra, pretože sa teplota kúpeľa stane v blízkosti stien chladnejšia ako teplota objemu kúpeľa, čím sa naruší rozpúšťanie oxidu hlinitého v kúpeli. Ak sa naproti tomu stuhnutá vrstva alebo kôra stane príliš tenkou alebo nie je prítomná, môže elektrolytický kúpeľ napádať obloženie bočných stien elektrolytickej vane, čo nakoniec povedie k porušeniu vane. Ak kúpeľ napadá bočné steny, musí byť elektrolyzér odstavený, elektrolytická vaňa musí byť odstránená a musí byť nainštalovaná nová. To je jeden z hlavných dôvodov na zníženie priemeru životnosti elektrolytických vani.

Na udržiavanie náležitej hrúbky stuhnutej vrstvy elektrolytického kúpeľa na obloženie bočnej steny je potrebné navrhnúť obloženie bočnej steny tak, aby bol tepelný tok z kúpeľa obložením bočnej steny dostatočne vysoký na to, aby udržiaval stuhnutú kôru na vnútornej strane obloženia bočnej steny. Tepelné straty bočnými stenami elektrolytickej vane tak môžu vyvolávať až 40 % celkových tepelných strát z elektrolyzéra. Aj s náležitým návrhom obloženia bočnej steny je však nemožné získať a udržiavať tenkú stabilnú vrstvu stuhnutého kúpeľa na tomto obložení bočnej steny, a to s ohľadom na výchylky v zložení kúpeľa a na iné premenné procesu, ktoré nie sú pod kontrolou operátora.

Vynález si kladie za úlohu vytvoriť elektrolyzér na výrobu hliníka, v ktorom by sa tepelné straty tepla bočnými stenami elektrolytickej vane čiastočne kompenzovali spätným ziskom elektriny a kde by sa získala tenká stabilná vrstva stuhnutého elektrolytického taveninového kúpeľa a udržiavala sa na vnútornej strane obloženia bočnej steny. Ďalej si vynález kladie za úlohu dosiahnuť to, aby táto stuhnutá vrstva nebola ovplyvňovaná rozdielmi v teplote roztaveného elektrolytického kúpeľa alebo v zložení kúpeľa.

Podstata vynálezu

Vynález navrhuje elektrolyzér na výrobu hliníka, obsahujúci anódu a elektrolytickú vaňu, pričom elektrolytická vaňa obsahuje vonkajší plášť z ocele a uhlíkové bloky na dne vane, tvoriace katódu elektrolyzéra, a kde na vnútornej strane bočnej steny oceľového plášťa je uložený materiál, odolný proti teplu pri vysokých teplotách a tepelnoizolačný pri vysokých teplotách, pričom elektrolyzér sa podľa vynálezu vyznačuje tým, že aspoň časť bočnej steny elektrolytickej vane pozostáva z jedného alebo viacej panelov chladených odparovaním, uložených na vnútornej strane teplu odolného a tepelnoizolačného materiálu.

Podľa výhodného uskutočnenia vynálezu sú všetky bočné steny elektrolyzéra vybavené panelmi chladenými odparovaním.

Podľa ďalšieho uskutočnenia vynálezu sú panely chladené odparovaním určené na obsahovanie chladiaceho média, majúceho teplotu varu pri atmosférickom tlaku od 850 °C do 950 °C a výhodne od 900 °C do 950 °C. Výhodne sú panely chladené odparovaním určené na obsahovanie roztaveného sodíka, roztavenej zliatiny sodíka a lítia alebo roztaveného zinku ako chladiaceho média.

Podľa ešte ďalšieho uskutočnenia vynálezu má každý panel chladený odparovaním vo svojej hornej časti prostriedok na obeh druhého chladiaceho média na konvektívne chladenie na kondenzovanie chladiaceho média v paneli chladenom odparovaním.

Podľa ešte ďalšieho uskutočnenia je prostriedok na obeh druhého chladiaceho média prvá uzatvorená slučka, prebiehajúca hornou časťou každého panelu chladeného odparovaním v elektrolyzéri. Časti prvej uzatvorenej slučky na druhé chladiace médium, ktoré nie sú vnútri hornej časti panelov chladených odparovaním, sú výhodne uložené v tepelne odolnom a tepelnoizolačnom materiáli medzi panelmi chladenými odparovaním a oceľovým plášťom.

Prvá uzatvorená slučka na obeh druhého chladiaceho média je výhodne pripojená k výmenníku tepla na odovzdávanie tepla z druhého chladiaceho média do tretieho chladiaceho média obsiahnutého v druhej uzatvorenej slučke. Po zahriatí vo výmenníku tepla sa tretie chladiace médium čerpá generátorom na výrobu elektrickej energie. Výmenník tepla je výhodne uložený v tepelne odolnom a tepelnoizolačnom materiáli medzi panelmi chladenými odparovaním a vonkajším plášťom z ocele.

Druhá uzatvorená slučka na obeh tretieho chladiaceho média je výhodne pripojená k výmenníkom tepla pre viacej elektrolyzérov, a ešte výhodnejšie je pripojená k výmenníkom tepla pre všetky elektrolyzéry linky.

Keď sa prevádzkuje linka s viacej elektrolyzérmi podľa vynálezu, je každý panel chladený odparovaním v jednotlivom elektrolyzéri nastavaný, aby pracoval tak, že teplota na strane panelov, obrátených dovnútra elektrolyzérov, je ľahko pod teplotou roztaveného elektrolytického kúpeľa, výhodne o 2 °C až 50 °C nižšia ako teplota elektrolytického kúpeľa. Vzhľadom na malý teplotný spád medzi panelmi chladenými odparovaním a roztaveným elektrolytickým kúpeľom sa tak vytvorí tenká, pevná a stabilná kôra elektrolytického kúpeľa na strane panelov chladených odparovaním, obrátených do roztaveného elektrolytického kúpeľa. Ako príklad, ak je teplota elektrolytického kúpeľa 940 °C, panely chladené odparovaním sa nastavia na prácu pri 920 °C. Vzhľadom na prítomnosť tepelne odolného a tepelnoizolačného materiálu, uloženého medzi panelmi chladenými odparovaním a oceľovým plášťom, bude tepelný tok bočnou stenou zanedbateľný.

Teplo sa bude prenášať z elektrolytického kúpeľa do každého panela chladeného odparovaním, a prvé kvapalné chladiace médium v dolnej časti panelov chladených odparovaním bude odovzdávať toto teplo do hornej časti panelov chladených odparovaním, a to odparovaním časti prvého chladiaceho média. V hornej časti panelov chladených odparovaním budú pary kondenzovať, keď prídu do styku s prvou uzatvorenou slučkou na obeh druhého chladiaceho média a kondenzačné teplo sa odovzdá druhému chladiacemu médiu. Kondenzované prvé chladiace médium bude prúdiť dole do dolnej časti panela chladeného odparovaním.

Teplo odovzdávané do druhého chladiaceho média spôsobí zvýšenie teploty druhého chladiaceho média, a to sa odovzdá do tretieho chladiaceho média v druhej uzatvorenej slučke, keď druhé chladiace médium prechádza výmenníkom tepla.

Teplo odovzdávané z elektrolytického kúpeľa do jednotlivého panela chladeného odparovaním v elektrolyzéri sa môže meniť od jedného panela k druhému a tiež s časom. Aby bolo možné prenášať správne množstvo tepla z každého jednotlivého panela chladeného odparovaním podľa vynálezu, sú v prvej uzatvorenej chladiacej slučke prostriedky na nastavovanie teploty alebo množstva druhého chladiaceho média, prúdiaceho hornou časťou každého odparovacieho panela. To sa môže uskutočniť niekoľkými spôsobmi. Tak sú časti prvej uzatvorenej slučky na obeh druhého chladiaceho média vybavené elektrickými vyhrievacími prvkami na ohrev druhého chladiaceho média práve tým, ako vstupuje do hornej časti každého panela chladeného odparovaním. V inom uskutočnení zariadenie obsahuje ventily a rúrky na obtokové vedenie časti druhého chladiaceho média tak, aby sa nastavilo množstvo druhého chladiaceho média, vstupujúceho do prvej uzatvorenej chladiacej slučky vnútri hornej časti každého panela chladeného odparovaním.

V treťom uskutočnení môžu byť usporiadané na časti prvej chladiacej slučky druhého chladiaceho média prestaviteľné ventily na prestavovanie množstva druhého chladiaceho média, prúdiaceho do časti prvej chladiacej slučky, uloženej vnútri hornej časti každého panela chladeného odparovaním.

Individuálne riadenie prenosu tepla pre každý panel chladený odparovaním zabezpečuje, že transport tepla bude vo všetkých okamihoch riadený tak, že sa v každom elektrolyzéri udržiava tenká stuhnutá („zmrznutá“) vrstva elektrolytického kúpeľa na stranách všetkých panelov chladených odparovaním, obrátených do elektrolytického kúpeľa.

Druhé chladiace médium v prvej uzatvorenej slučke je výhodne plyn, ako je oxid uhličitý, dusík, hélium alebo argón, pri teplote nižšej, ako je teplota v prvom chladiacom médiu.

Ako bolo uvedené, teplo sa z druhej uzatvorenej slučky na obeh tretieho chladiaceho média necháva cirkulovať výmenníkmi tepla, priradením viacej elektrolyzérov k výmenníkom tepla. Tretie chladiace médium je výhodne plyn, ako hélium, neón, argón, oxid uhoľnatý, oxid uhličitý alebo dusík, pri ktorom sa po obehu výmenníkmi tepla pre všetky elektrolyzéry linky postupne zvyšuje teplota a tlak. Zahriate tretie chladiace médium sa dopravuje do plynovej turbíny, pripojenej ku generátoru na výrobu elektrického prúdu, pričom sa ochladený plyn, opúšťajúci turbínu recykluje do druhej uzatvorenej slučky. Tento prenos tepelnej energie v uzatvorenej slučke môže poskytnúť premenu tepelnej energie na elektrickú s účinnosťou 45 % alebo vyššou. Na základe tejto recyklácie elektrickej energie je celková bežná účinnosť elektrolyzérov značne zlepšená.

Pretože vynález umožňuje riadiť teplotu na rozhraní medzi panelmi chladenými odparovaním a roztaveným elektrolytickým kúpeľom, čím sa zabezpečuje prítomnosť tenkej pevnej vrstvy elektrolytického kúpeľa na strane panelov obrátených k elektrolytickému kúpeľu, je vylúčené riziko zničenia bočných stien elektrolyzérov. Priemerná životnosť elektrolyzérov je tak podstatne zvýšená.

Odstránenie zvyčajných mocných kôr stuhnutého elektrolytického kúpeľa na bočných stenách okrem toho poskytuje lepšiu účinnosť a riadenie prevádzky elektrolyzéra vzhľadom na skutočnosti, že teplota roztaveného elektrolytického kúpeľa pozdĺž bočných stien sa bude bezvýznamné líšiť od teploty v objeme kúpeľa. To zabezpečí rýchlejšie rozpustenie pridávaného oxidu hliníka, pretože oxid, aspoň pri použití Soedebergovej anódy, sa privádza blízko bočnej steny elektrolyzéra.

Konečne môžu byť v elektrolyzéri podľa vynálezu prevádzková teplota a zloženie elektrolytického kúpeľa voľnejšie volené na optimalizáciu účinnosti elektrolyzéra, pretože teplota bočnej steny môže byť nastavená nezávisle od teploty elektrolytického kúpeľa pomocou panelov chladených odparovaním na udržiavanie ideálneho teplotného rozdielu proti elektrolytickému kúpeľu. Tak napríklad môže byť zvýšený fluoridový obsah elektrolytického kúpeľa, čo bude mať za následok rýchlejšie rozpustenie oxidu hliníka pridávaného do elektrolytického kúpeľa, a hustota prúdu každého elektrolyzéra môže byť optimalizovaná bez uvažovania možného napadnutia bočnej steny.

Vynález teda ďalej prináša linku obsahujúcu viacej elektrolyzérov na výrobu hliníka, pričom podľa vynálezu každý elektrolyzér obsahuje anódu a elektrolytickú vaňu, pričom elektrolytická vaňa má vonkajší plášť z ocele a uhlíkové bloky v dne vane tvoria katódu elektrolyzéra, pričom na všetkých bočných stenách vane je uložený tepelne odolný a tepelnoizolačný materiál, a na aspoň časti tepelne odolného a tepelnoizolačného materiálu, ktorý tvorí bočnú stenu, je uložený jeden alebo viacej panelov chladených odparovaním, a to tak, že panel chladený odparovaním je obrátený smerom dovnútra vane, pričom v uvedenom paneli chladenom odparovaním je uložené prvé chladiace médium, pričom elektrolyzér ďalej obsahuje prvú uzatvorenú slučku s obehom druhého chladiaceho média, pričom časť uvedenej prvej uzatvorenej slučky prebieha hornou časťou panela chladeného odparovaním na chladenie prvého chladiaceho média, a časti prvej uzatvorenej slučky, ktoré nie sú vnútri hornej časti panela chladeného odparovaním, sú uložené v tepelne odolnom a tepelne izolačnom materiáli, pričom k uvedenej prvej uzatvorenej slučke je pripojený výmenník tepla, uložený v uvedenom tepelne odolnom a tepelne izolačnom materiáli, a ďalej druhú uzatvorenú slučku s tretím chladiacim médiom, pripojenou k výmenníku tepla každého elektrolyzéra linky, na odovzdávanie tepla z druhého chladiaceho média prvej uzatvorenej slučky do tretieho chladiaceho média druhej uzatvorenej slučky. Druhá uzatvorená slučka na obeh tretieho chladiaceho média je podľa výhodného uskutočnenia linky podľa vynálezu pripojená k turbíne a generátoru na premenu tepelnej energie na elektrickú energiu.

Vynález je ďalej zameraný na spôsob udržiavania kôry na bočnej stene elektrolyzéra použitého na výrobu hliníka. Tento spôsob sa vyznačuje tým, že sa uloží jeden alebo viacej panelov chladených odparovaním na vnútornej strane elektrolyzéra tak, že prvá strana panelov je v styku s roztaveným kúpeľom vnútri elektrolyzéra a druhá strana je v styku s materiálom odolávajúcim teplu pri vysokej teplote a tepelnoizolačnom pri vysokej teplote, ktorý je v styku s vonkajším plášťom z ocele elektrolyzéra, pričom panely majú v sebe prvé chladiace médium, a teplota prvého chladiaceho média v paneloch chladených odparovaním sa udržiava taká, že teplota prvej strany panelov je ľahko pod teplotou roztaveného kúpeľa, takže sa na uvedenej prvej strane panelov tvorí kôra.

Ako bolo uvedené, je výhodné, ak je teplota na uvedenej prvej strane panela približne 2 °C až 50 °C pod teplotou roztaveného kúpeľa. Udržiava sa tak správna hrúbka kôry, takže nie je príliš hrubá ani príliš tenká.

Teplota prvého chladiaceho média sa udržiava prostredníctvom druhého chladiaceho média, ktoré sa nechá obiehať prvou uzatvorenou slučkou, takže dochádza k výmene tepla medzi prvým chladiacim médiom a druhým chladiacim médiom. Na ochladzovanie druhého chladiaceho média sa vymieňa teplo medzi druhým chladiacim médiom a tretím chladiacim médiom pomocou výmenníka tepla.

Na ovládanie teploty prvého chladiaceho média a podobne teploty strany panelov, obrátených k roztavenému kúpeľu, sa buď pomocou ventilov alebo vyhrievacej jednotky riadi množstvo druhého chladiaceho média alebo teplota druhého chladiaceho média, ktorá sa vymieňa s prvým chladiacim médiom.

Množstvo druhého chladiaceho média alebo teplota druhého chladiaceho média, ktoré si vymieňa teplo s prvým chladiacim médiom, sú účinné na riadenie teploty prvého chladiaceho média.

Na zabezpečenie energetickej účinnosti celého spôsobu sa konečne znovu získava teplo z tretieho chladiaceho média ako elektrická energia prostredníctvom plynovej turbíny pripojenej ku generátoru.

Konkrétnejšie sa teplota prvého chladiaceho média udržiava prostredníctvom druhého chladiaceho média, ktoré sa necháva obiehať prvou uzatvorenou slučkou tak, že sa vymieňa teplo medzi prvým chladiacim médiom a druhým chladiacim médiom. Teplo sa tiež vymieňa medzi druhým chladiacim médiom a tretím chladiacim médiom prostredníctvom výmenníka tepla, čím sa chladí druhé chladiace médium. Teplo sa odoberá z tretieho chladiaceho média prostredníctvom plynovej turbíny a elektrického generátora, takže sa vyrába elektrická energia.

Vynález tiež navrhuje spôsob spätného získavania elektriny z elektrolyzéra použitého na výrobu hliníka a na udržiavanie kôry na bočnej stene elektrolyzéra, pričom spôsob sa vyznačuje tým, že jeden alebo viacej panelov chladených odparovaním sa uloží na vnútornej strane elektrolyzéra tak, že prvá strana panelov je v styku s roztaveným kúpeľom vnútri elektrolyzéra a druhá strana panelov je v styku s materiálom odolávajúcim teplu pri vysokej teplote a tepelnoizolačnom pri vysokej teplote, ktorý je v styku s vonkajším plášťom z ocele elektrolyzéra, pričom panely majú v sebe prvé chladiace médium; pričom teplota prvého chladiaceho média v paneloch chladených odparovaním sa udržiava taká, že teplota na prvej strane panelov je ľahko pod teplotou roztaveného kúpeľa, takže sa na uvedenej prvej strane panelov tvorí kôra, prostredníctvom druhého chladiaceho média, ktoré sa necháva obiehať prvou uzatvorenou slučkou tak, že sa vymieňa teplo medzi prvým chladiacim médiom a druhým chladiacim médiom; a teplo sa tiež vymieňa medzi uvedeným druhým chladiacim médiom a tretím chladiacim médiom prostredníctvom výmenníka tepla, čím sa chladí uvedené druhé chladiace médium, a teplo sa odoberá z uvedeného tretieho chladiaceho média prostredníctvom plynovej turbíny a elektrického generátora, takže sa vyrába elektrina.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Vynález je bližšie vysvetlený v nasledujúcom opise na príkladoch uskutočnenia s odvolaním sa na pripojené výkresy, v ktorých znázorňuje obr. 1 zvislý rez časti elektrolyzéra podľa vynálezu s usporiadaniami chladiacich okruhov, obr. 2 schematický pohľad zhora na elektrolyzér podľa vynálezu s usporiadaniami chladiacich okruhov a obr. 3 zvislý rez častí prednostného uskutočnenia elektrolyzéra podľa vynálezu.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Na obr. 1 je znázornený elektrolyzér 1 na výrobu hliníka. Elektrolyzér 1 obsahuje elektrolytickú vaňu 2 s vonkajším plášťom 3 z ocele. Na dne vonkajšieho plášťa 3 z ocele sú uložené uhlíkové bloky 4, ktoré sú pripojené k neznázomeným elektrickým svorkám a tvoria katódu elektrolyzéra 1. Anóda 5 je uložená nad uhlíkovými blokmi 4 a v odstupe od nich. Anóda 5 je výhodne z vopred vypálených uhlíkových blokov alebo samospekavá anóda, tiež nazývaná Soederbergova anóda. Anóda 5 je zavesená zhora neznázomeným zvyčajným spôsobom a je pripojená k elektrickým svorkám.

Vnútri vonkajšieho plášťa 3 z ocele je na bočných stenách elektrolytickej vane 2 uložená vrstva tepelnoizolačného žiaruvzdorného materiálu 6, a na vnútornej strane vrstvy tepelnoizolačného žiaruvzdorného materiálu 6 je uložený panel 7 chladený odparovaním, obrátený dovnútra elektrolyzéra 1. Panel 7 chladený odparovaním je výhodne vyrobený z nemagnetickej ocele. Panel 7 chladený odparovaním pozostáva z dolnej časti 8, určenej na uloženie prvého chladiaceho média v kvapalnom stave, ktoré má teplotu tavenia pod prevádzkovou teplotou elektrolyzéra 1 a teplotou varu okolo prevádzkovej teploty elektrolyzéra 1. Prednostné chladiace médium je sodík, ale môžu byť použité iné chladiace média vyhovujúce týmto požiadavkám.

Panel 7 chladený odparovaním má hornú časť 9 na kondenzáciu chladiaceho média, odpareného z dolnej časti 8 panela 7 chladeného odparovaním. Ku kondenzácii odpareného chladiaceho média v hornej časti 9 panela 7 chladeného odparovaním dochádza obehom druhého chladiaceho média, majúceho nižšiu teplotu ako prvé chladiace médium obsiahnuté v paneli 7 chladeného odparovaním, a to rúrkou 10C, ktorá tvorí časť prvej uzatvorenej chladiacej slučky 10, prechádzajúcej vnútrajškom hornej časti 9 panela 7 chladeného odparovaním.

Pri prevádzke obsahuje elektrolyzér 1 spodnú vrstvu 11 roztaveného hliníka a hornú vrstvu 12 roztaveného elektrolytického kúpeľa na báze kryolitu. Zvyčajným spôsobom sa privádza do elektrolytického kúpeľa 12 oxid hlinitý, ktorý sa v ňom rozpustí.

Na obr. 2 je schematicky znázornený pôdorysný pohľad zhora na elektrolyzér 1 podľa vynálezu s usporiadaniami chladiacich okruhov.

Panely 7 chladené odparovaním, kryjúce celú plochu bočných stien, sú označené ako panely Pl až P14. Aby bol výkres zrozumiteľnejší, nie sú na obr. 2 znázornené tepelnoizolačný žiaruvzdorný materiál 6 a vonkajší oceľový plášť 3 . Anóda 5, znázornená na obr. 2, je anóda Soederbergovho typu.

Prvá uzatvorená slučka na obeh druhého chladiaceho média, ktorým je prednostne oxid uhličitý, dusík, hélium alebo argón je označená ako slučka 10. V prvej uzatvorenej slučke 10 na obeh druhého chladiaceho média je vradené čerpadlo 13 a výmenník tepla 14, ktorým cirkuluje druhé chladiace médium. Prvá slučka 10 má vetvy 15 a 16, zabiehajúce do hornej časti 9 a von z hornej časti 9 panelov 7 chladených odparovaním. Na obr. 2 je znázornených iba niekoľko vetví 15, 16. Na každej z vetví 15, zabiehajúcich do hornej časti 9 panelov 7 chladených odparovaním, je uložený vyhrievací prvok 17.

Prvá uzatvorená slučka 10 na obeh druhého chladiaceho média pracuje nasledujúcim spôsobom.

Keď sa druhé chladiace médium nechá prechádzať výmenníkom 14 tepla, prenáša sa teplo z druhého chladiaceho média do tretieho chladiaceho média na dosiahnutie vopred nastavenej teploty druhého chladiaceho média, keď prešlo výmenníkom 14 tepla. Tretie chladiace médium je v druhej uzatvorenej slučke 18.

Na ďalšie odovzdanie teploty druhého chladiaceho média je tu výhodne vradený obtokový okruh 21, umožňujúci obtokovo viest časť druhého chladiaceho média mimo výmenníka 14 tepla.

Časť druhého chladiaceho média tečie od panela PI chladeného odparovaním cez vetvu 15, kde sa druhé chladiace médium zahrieva teplom z kondenzácie prvého chladiaceho média v paneli PI chladeného odparovaním. Potom prúdi druhé chladiace médium z panela PI chladeného odparovaním vetvou 16 a do hlavného potrubia 10. To sa uskutočňuje pre všetky panely PI až P14 chladené odparovaním. Druhé chladiace médium, ktoré bolo zahriate v každom z panelov PI až P14 chladeným odparovaním, potom prúdi výmenníkom 14 tepla, kde sa znovu znižuje teplota druhého chladiaceho média.

Množstvo tepla, odovzdávaného do druhého chladiaceho média počas kondenzácie prvého chladiaceho média v hornej časti 9 panelov 7 chladených odparovaním sa môže líšiť od jedného panelu 7 chladeného odparovaním k druhému panelu 7 chladenému odparovaním, a množstvo tepla odovzdávaného do druhého chladiaceho média na každý panel 7 chladený odparovaním sa môže tiež meniť s časom. Je preto vhodné začleniť prostriedky na individuálne riadenie buď teploty alebo množstva druhého chladiaceho média, ktoré vstupujme do rúrky 10C vnútri každého panelu 7 chladeného odparovaním. V jednom uskutočnení sa toto deje umiestnením elektrických vyhrievacích prvkov 17 na každej z vetví 15. Vyhrievacie prvky 17 sú jednotlivo riadené, výhodne na základe teplôt nameraných termočlánkami, uloženými v každom paneli 7 chladenom odparovaním.

V inom uskutočnení sú do každej vetvy 15 vradené individuálne ovládané ventily, ktoré zvyšujú alebo znižujú množstvo druhej chladiacej kvapaliny prúdiacimi vetvami 15 v závislosti od teploty v každom jednotlivom paneli 7 chladenom odparovaním.

Týmto spôsobom je teplota v prvom chladiacom médiu v dolnej časti 8 každého panelu 7 chladeného odparovaním viazaná na vopred nastavený teplotný interval.

Na odoberanie tepla z druhého chladiaceho média, keď prechádza výmenníkom 14 tepla, slúži druhá uzatvorená chladiaca slučka 18 na dopravovanie tretieho chladiaceho média, majúceho nižšiu teplotu, ako je teplota druhého chladiaceho média, keď prechádza výmenníkom 14 tepla. Tretie chladiace médium, obiehajúce v uzatvorenej slučke 18, je výhodne plyn. Po zahriatí vo výmenníku 14 tepla je plyn dopravovaný do turbíny 19 pripojenej ku generátoru 20 na výrobu elektriny. Ochladený plyn, opúšťajúci turbínu 19, je potom vrátený do výmenníka 14 tepla. Tepelná energia v plyne sa prevádza na elektrickú energiu v generátore 20 pri účinnosti 45 % alebo viacej.

Druhá uzatvorená slučka 18 na obeh tretieho chladiaceho média je výhodne pripojená k výmenníkom 14 tepla pre viacej elektrolyzérov 1 a výhodne k výmenníkom 14 tepla pre všetky elektrolyzéry 1 vaňovej linky. To je vyznačené na obr. 2, kde je znázornený druhý výmenník 14A tepla pre druhý elektrolyzér 1.

Elektrina vyrobená v generátore 20 má za následok podstatné zníženie efektívnej energie spotrebovanej v elektrolyzéri 1 na tonu vyrobeného hliníka.

Dlhá uzatvorená slučka 18 obsahuje čerpadlo 22 na obeh tretieho chladiaceho média a bežné vypúšťacie zariadenie 23.

Ako je uvedené, je dávaná prednosť tomu, aby väčšina častí prvej uzatvorenej slučky 10 a výmenníka 14 tepla bola usporiadaná v tepelnoizolačnom žiaruvzdornom materiáli 6. Toto prednostné uskutočnenie je znázornené na obr. 3, kde každá elektrolytická vaňa 2 má vstup a výstup na pripojovanie potrubia druhej uzatvorenej slučky 18. Výstupná rúrka 10A a vstupná rúrka 10B prvej uzatvorenej slučky 10, ako aj časti rúrky 10C v hornej časti 9 panela 7 chladeného odparovaním sú usporiadané, ako je znázornené. Tieto pripojenia umožňujú tretiemu chladiacemu médiu cirkulovať výmenníkom 14 tepla. Na bočných stenách elektrolyzéra 1 sa potom vytvára kôra 24 stuhnutého kúpeľa 12.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (22)

1. Elektrolyzér na výrobu hliníka, obsahujúci anódu (5) a elektrolytickú vaňu (2), pričom elektrolytická vaňa (2) obsahuje vonkajší plášť (3) vytvorený z ocele, kde uhlíkové bloky (4) v dne vane tvoria katódu elektrolyzéra, a kde na vnútornej strane bočnej steny oceľového plášťa (3) je uložený materiál (6), odolný proti teplu pri vysokých teplotách a tepelnoizolačný pri vysokých teplotách, vyznačujúci sa tým, že aspoň časť bočnej steny elektrolytickej vane (2) pozostáva z jedného alebo viacej panelov (7) chladených odparovaním, uložených na vnútornej strane teplu odolného a tepelnoizolačného materiálu (6).

2. Elektrolyzér podľa nároku 1,vyznačujúci sa tým, že všetky bočné steny elektrolyzéra sú na vnútornej strane vybavené panelmi (7) chladenými odparovaním.

3. Elektrolyzér podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúci sa tým, že panely (7) chladené odparovaním sú prispôsobené na obsahovanie chladiaceho média, majúceho teplotu varu pri atmosférickom tlaku od 850 °C do 950 °C.

4. Elektrolyzér podľa nároku 3,vyznačujúci sa tým, že panely (7) chladené odparovaním sú prispôsobené na obsahovanie roztaveného sodíka, roztavenej zliatiny sodíka a lítia alebo roztaveného zinku ako chladiaceho média.

5. Elektrolyzér podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúci sa tým, že každý panel (7) chladený odparovaním má vo svojej hornej časti (9) prostriedok na obeh druhého chladiaceho média na konvektívne chladenie na kondenzovanie chladiaceho média v paneli (7) chladenom odparovaním.

6. Elektrolyzér podľa nároku 5, vyznačujúci sa tým, že prostriedok na obeh druhého chladiaceho média je prvá uzatvorená slučka (10), prebiehajúca hornou časťou (9) každého panela (7) chladeného odparovaním v elektrolyzéri.

7. Elektrolyzér podľa nároku 6, vyznačujúci sa tým, že časti prvej uzatvorenej slučky (10) pre druhé chladiace médium, ktoré nie sú vnútri hornej časti (9) panelov (7) chladených odparovaním, sú uložené v tepelne odolnom a tepelnoizolačnom materiáli (6) ležiacom medzi panelmi (7) chladenými odparovaním a oceľovým plášťom (3).

8. Elektrolyzér podľa nároku 7, vyznačujúci sa tým, že prvá uzatvorená slučka (10) na obeh druhého chladiaceho média je pripojená k výmenníku tepla (14) na odovzdávanie tepla z druhého chladiaceho média do tretieho chladiaceho média obsiahnutého v druhej uzatvorenej slučke (18).

9. Elektrolyzér podľa nároku 8, vyznačujúci sa tým, že výmenník tepla (14) je uložený v tepelne odolnom a tepelnoizolačnom materiáli (6) medzi panelmi (7) chladenými odparovaním a oceľovým plášťom (3).

10. Elektrolyzér podľa nároku 5,vyznačujúci sa tým, že obsahuje prostriedky na nastavovanie teploty druhého chladiaceho média umiestnené pred vstupom chladiaceho média do hornej časti (9) každého panela (7) chladeného odparovaním.

11. Elektrolyzér podľa nároku 10, vyznačujúci sa tým, že prostriedky na nastavovanie teploty druhého chladiaceho média sú elektrické vyhrievacie prvky (17).

12. Elektrolyzér podľa nároku 10, vyznačujúci sa tým, že prostriedky na nastavovanie teploty druhého chladiaceho média sú nastaviteľné ventily.

13. Elektrolyzér podľa nároku 10, vyznačujúci sa tým, že prostriedky na nastavovanie teploty druhého chladiaceho média sú obtokové vedenia (21) s prestaviteľnými ventilmi.

14. Elektrolyzér podľa nároku 8, vyznačujúci sa tým, že druhá uzatvorená slučka (18) na obeh tretieho chladiaceho média je pripojená k turbíne (19) a generátoru (20) na premenu tepelnej energie na elektrickú energiu.

15. Linka obsahujúca viacej elektrolyzérov na výrobu hliníka, vyznačujúca sa tým, že každý elektrolyzér (1) obsahuje anódu (5) a elektrolytickú vaňu (2), pričom elektrolytická vaňa (2) má vonkajší plášť (3) z ocele, uhlíkové bloky (4) v dne vane (2), tvoriace katódu elektrolyzéra (1), pričom na všetkých bočných stenách vane (2) je uložený tepelne odolný a tepelnoizolačný materiál (6), a na aspoň časti tepelne odolného a tepelnoizolačného materiálu (6), ktorý tvorí bočnú stenu, je uložený jeden alebo viacej panelov (7) chladených odparovaním, a to tak, že panel (7) chladený odparovaním je obrátený smerom dovnútra vane (2), pričom v uvedenom paneli (7) chladenom odparovaním je uložené prvé chladiace médium, pričom elektrolyzér (1) ďalej obsahuje prvú uzatvorenú slučku (10) s obehom druhého chladiaceho média, pričom časť uvedenej prvej uzatvorenej slučky (10) prebieha hornou časťou (9) panela (7) chladeného odparovaním na chladenie uvedeného prvého chladiaceho média, a časti prvej uzatvorenej slučky (10), ktoré nie sú vnútri hornej časti (9) panela (7) chladeného odparovaním a sú uložené v tepelne odolnom a tepelnoizolačnom materiáli (6), pričom k uvedenej prvej uzatvorenej slučke (10) je pripojený výmenník tepla (14), uložený v uvedenom tepelne odolnom a tepelnoizolačnom materiáli, a ďalej druhou uzatvorenou slučkou (18) s tretím chladiacim médiom, pripojenou k výmenníku tepla (14) každého elektrolyzéra linky, na odovzdávanie tepla z druhého chladiaceho média prvej uzatvorenej slučky (10) do tretieho chladiaceho média druhej uzatvorenej slučky (18).

16. Linka podľa nároku 15, vyznačujúca sa tým, že druhá uzatvorená slučka (18) na obeh tretieho chladiaceho média je pripojená k turbíne (19) a generátoru (20) na premenu tepelnej energie na elektrickú energiu.

17. Spôsob udržiavania kôry na bočnej stene elektrolyzéra použitého na výrobu hliníka, vyznačujúci sa tým, že

a) jeden alebo viacej panelov (7) chladených odparovaním sa uloží na vnútornej strane elektrolyzéra (1) tak, že prvá strana panelov (7) je v styku s roztaveným elektrolytickým kúpeľom (12) vnútri elektrolyzéra (1) a druhá strana je v styku s materiálom odolávajúcim teplu pri vysokej teplote a tepelnoizolačnom pri vysokej teplote, ktorý je v styku s oceľovým plášťom (3) elektrolyzéra (1), pričom panely (7) majú v sebe prvé chladiace médium, a

b) teplota prvého chladiaceho média v paneloch (7) chladených odparovaním sa udržiava taká, že teplota na prvej strane panelov (7) je ľahko pod teplotou roztaveného kúpeľa (12), takže sa na uvedenej prvej strane panelov (7) tvorí kôra (24).

18. Spôsob podľa nároku 17, vyznačujúci sa tým, že teplota na uvedenej prvej strane panela (7) je približne 2 °C až 50 °C pod teplotou roztaveného kúpeľa (12).

19. Spôsob podľa nároku 17, vyznačujúci sa tým, že teplota prvého chladiaceho média sa udržiava prostredníctvom druhého chladiaceho média, ktoré sa necháva obiehať prvou uzatvorenou slučkou (10), takže dochádza k výmene tepla medzi prvým chladiacim médiom a druhým chladiacim médiom, pričom k výmene tepla tiež dochádza medzi druhým chladiacim médiom a tretím chladiacim médiom prostredníctvom výmenníka tepla (14), čím dochádza k chladeniu druhého chladiaceho média.

20. Spôsob podľa nároku 19, vyznačujúci sa tým, že množstvo druhého chladiaceho média alebo teplota druhého chladiaceho média, ktoré si vymieňa teplo s prvým chladiacim médiom, sú účinné na riadenie teploty prvého chladiaceho média.

21. Spôsob podľa nároku 19, vyznačujúci sa tým, že sa znovu získava teplo z tretieho chladiaceho média ako elektrická energia.

22. Spôsob spätného získavania elektriny z elektrolyzéra použitého na výrobu hliníka a na udržiavanie kôry na bočnej stene elektrolyzéra, vyznačujúci sa tým, že

a) jeden alebo viacej panelov (7) chladených odparovaním sa uloží na vnútornej strane elektrolyzéra (1) tak, že prvá strana panelov (7) je v styku s roztaveným kúpeľom (12) vnútri elektrolyzéra (1) a druhá strana je v styku s materiálom (6) odolávajúcom teplu pri vysokej teplote a tepelnoizolačnom pri vysokej teplote, ktorý je v styku s oceľovým plášťom (3) elektrolyzéra (1), pričom panely (7) majú v sebe prvé chladiace médium, a

b) teplota prvého chladiaceho média v paneloch (7) chladených odparovaním sa udržiava tak, že sa teplota na prvej strane panelov (7) udržiava ľahko pod teplotou roztaveného kúpeľa (12), takže sa na uvedenej prvej strane panelov (7) tvorí kôra, prostredníctvom druhého chladiaceho média, ktoré sa necháva obiehať v prvej uzatvorenej slučke (10) tak, že dochádza k výmene tepla medzi prvým chladiacim médiom a druhým chladiacim médiom, a

c) vymieňa sa teplo medzi uvedeným druhým chladiacim médiom a tretím chladiacim médiom pomocou výmenníka tepla (14), čím sa chladí uvedené druhé chladiace médium, a z uvedeného tretieho chladiaceho média sa odoberá teplo prostredníctvom plynovej turbíny (19) a elektrického generátora (20), takže sa vyrába elektrina.