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Dokumentenidentifikation DE69911758T2 29.07.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0001070158
Titel SCHMELZFLUSSELEKTROLYSEOFEN MIT KÜHLVORRICHTUNG FÜR DIE HERSTELLUNG VON ALUMINIUM
Anmelder Aluminium Pechiney, Puteaux, FR
Erfinder BOS, Jerôme, 38340 Voreppe, FR;
FEVE, Benoît, F-73300 Hermillon, FR;
HOMSI, Pierre, 73300 St.-Jean-de-Maurienne, FR
Vertreter Beetz & Partner, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69911758
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, GR, NL
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 07.04.1999
EP-Aktenzeichen 999118938
WO-Anmeldetag 07.04.1999
PCT-Aktenzeichen PCT/FR99/00802
WO-Veröffentlichungsnummer 0099054526
WO-Veröffentlichungsdatum 28.10.1999
EP-Offenlegungsdatum 24.01.2001
EP date of grant 01.10.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.07.2004
IPC-Hauptklasse C25C 3/06
IPC-Nebenklasse C25C 3/20   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse nach dem Verfahren von Hall und Héroult und die Anlagen zur großtechnischen Durchführung des Verfahrens. Sie betrifft insbesondere die Kontrolle der Wärmeflüsse in den Elektrolysezellen und die Kühleinrichtungen, mit denen sich diese Kontrolle erzielen lässt.

Stand der Technik

Aluminiummetall wird großtechnisch durch Schmelzflusselektrolyse nach dem gut bekannten Verfahren von Hall und Héroult hergestellt, d. h. durch Elektrolyse von Tonerde, die in geschmolzenem Kryolith – dem Elektrolyten – gelöst ist. Der schmelzflüssige Elektrolyt ist in einer Zelle enthalten, welche eine innen mit Feuerfest- und/oder Isoliermaterial ausgekleidete Stahlwanne und eine am Boden der Zelle gelegene Kathodenanordnung aufweist. Der Elektrolysestrom, der Werte von mehr als 300 kA erreichen kann, bewirkt die Reduktionsreaktionen der Tonerde und ermöglicht es gleichzeitig, den schmelzflüssigen Elektrolyten durch Stromwärme auf einer Temperatur von etwa 950°C zu halten.

Die Elektrolysezelle wird gewöhnlich so gesteuert, dass sie sich in thermischem Gleichgewicht befindet, d. h. dass die von der Elektrolysezelle abgeführte Wärme insgesamt durch die in der Zelle erzeugte, im Wesentlichen vom Elektrolysestrom gelieferte Wärme kompensiert wird. Der Gleichgewichtspunkt wird in der Regel so gewählt, dass sowohl vom technischen als auch vom wirtschaftlichen Gesichtspunkt aus die günstigsten Betriebsbedingungen erzielt werden. Insbesondere stellt die Möglichkeit, eine optimale Solltemperatur aufrechtzuerhalten, eine spürbare Kostenersparnis bei der Aluminiumherstellung dar, da die Stromausbeute sehr hoch bleibt und in modernen Aluminiumwerken mehr als 90% beträgt.

Die thermischen Gleichgewichtsverhältnisse hängen von den physikalischen Parametern der Zelle ab, z. B. Dimensionen, Art der verwendeten Werkstoffe, sowie von den Betriebsbedingungen der Zelle, z. B. elektrischer Widerstand der Zelle, Badtemperatur, Stärke des Elektrolysestroms. Die Zelle wird häufig so gestaltet und gefahren, dass sich an den Seitenwänden der Zelle ein Randansatz aus erstarrtem Elektrolyt bildet, wodurch insbesondere verhindert wird, dass die Auskleidungen dieser Wände durch die Kryolithschmelze angegriffen werden.

Aufgabenstellung

Bei der industriellen Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse ist man im Hinblick auf einen optimierten Betrieb der Aluminiumhütten ständig mit der Notwendigkeit konfrontiert, über Industrieanlagen zu verfügen, die nicht nur die Stabilisierung und Beibehaltung des Arbeitspunktes der Elektrolysezellen ermöglichen, sondern auch willkürliche Änderungen der Betriebsbedingungen zulassen, die verglichen mit den Nennbedingungen gewaltig sein können. Mit anderen Worten: es ist oft günstig, den Arbeitspunkt der Elektrolysezellen einer Aluminiumhütte bei gleichzeitiger Beibehaltung oder sogar Verbesserung der normalen technischen Zellenleistungen leicht kontrollieren oder sogar modulieren zu können, ohne dabei jedoch die Produktionskosten zu erhöhen. Ein solche Situation tritt beispielsweise dann auf, wenn die Leistung eines Elektrolysezellensystems je nach Energievertrag geändert werden soll.

Zu diesem Zweck suchte die Anmelderin nach Methoden und Mitteln zur Kontrolle der Wärmeflüsse und zur Stabilisierung der Wärmeverhältnisse in den Elektrolysezellen, welche Methoden und Mittel bei sehr großer Effizienz und hoher Anpassungsfähigkeit keinen großen Investitionsaufwand erfordern und keine hinderlichen zusätzlichen Betriebskosten nach sich ziehen.

Es wurde bereits vorgeschlagen, die Zellen mit spezifischen Mitteln auszurüsten, um die von den Elektrolysezellen produzierte Wärme kontrolliert abzuführen und zu dissipieren. Insbesondere wird in den sowjetischen Erfinderscheinen SU 605 865 und SU 663 760 vorgeschlagen, die Zellen mit einem von außen gesteuerten Kühlsystem auszustatten, welches dichte Hohlräume auf den Seiten und unterhalb der Zelle sowie verstellbare Wärmeschilde und mit Stellklappen versehene Rohrleitungen aufweist. Dabei wird mit einem Lüfter oder Kompressor Luft in die Leitungen getrieben. Diese Vorrichtungen erfordern einen aufwendigen und voluminösen Unterbau.

Ferner wurde in der Patentanmeldung EP 0 047 227 vorgeschlagen, die Wärmeisolierung der Zelle zu verstärken und sie mit Wärmerohren zu versehen, die mit Wärmetauschern ausgestattet sind. Die Wärmerohre durchqueren Wanne und Wärmeisolierung und sind in den Kohlenstoffteilen, zum Beispiel den Randplatten befestigt. Diese Lösung ist in ihrer Ausführung relativ kompliziert und teuer und überdies mit relativ großen Veränderungen an der Zelle verbunden.

Um insbesondere die Bildung eines Randansatzes aus erstarrtem Elektrolyt zu begünstigen, ist es weiters aus dem amerikanischen Patent US 4 087 345 bekannt, eine Wanne mit Aussteifungen und einem Verstärkungsrahmen zu verwenden, um die Kühlung der Zellenwände durch natürliche Luftströmung zu fördern. Bei einer solchen Vorrichtung müssen die Einrichtungen fest mit der Wanne verbunden sein. Außerdem sind statische Vorrichtungen für eine präzise Kontrolle der Wärmeflüsse nicht gut geeignet.

Um die Bildung des Randansatzes aus erstarrtem Elektrolyt zu kontrollieren und einen Teil der an den Seiten der Zelle abgegangenen Wärme wiederzugewinnen, wird im amerikanischen Patent US 4 608 135 vorgeschlagen, eine Zelle zu verwenden, die Kanäle zwischen den Randplatten und der Innenisolierung der Zelle sowie Lufteintrittsöffnungen an den Seiten der Zelle aufweist. Die Kanäle sind zum einen mit den Öffnungen und zum anderen mit dem Innenraum der an der Zelle befestigten Lufterfassungsvorrichtung verbunden. Die Lufterfassungsvorrichtung saugt die an den Seiten der Zelle entnommene Umgebungsluft über die Öffnungen an und befördert sie in die Kanäle entlang der Randplatten, wodurch diese gekühlt werden. Die Luftmenge wird über mit Klappen versehene Öffnungen kontrolliert, die auf den Seiten der Lufterfassungsvorrichtung liegen und als Abzweigleitungen (engt. bypass) dienen. Diese Vorrichtung erfordert große Änderungen an der Zelle und gestattet es nicht, die Kontrolle unabhängig von der Kühlung vorzunehmen, da für die regelmäßigen Eingriffe im Bereich der Zelle die Abdeckhauben der Lufterfassungsvorrichtung geöffnet werden müssen, was die Wirkung der Klappen beeinträchtigt.

Da die Anmelderin das Fehlen zufriedenstellender bekannter Lösungen feststellte, machte sie es sich zur Aufgabe, effiziente und adaptierbare Mittel zur Abführung und Dissipation der von der Elektrolysezelle produzierten Wärme zu finden, die sich leicht montieren lassen und keine großen Änderungen an der Zelle und insbesondere an der Wanne und auch keinen großen Unterbau erfordern. Im Hinblick auf einen Einsatz sowohl in existierenden Werken als auch in neuen Werken suchte die Anmelderin insbesondere nach Mitteln, die es ermöglichen, die Leistung der Zellen zu ändern, die sich leicht an unterschiedliche Zellentypen oder an unterschiedliche Funktionsarten eines gleichen Zellentyps anpassen und die für Industrieanlagen mit mehreren in Serie geschalteten Zellen geeignet sind.

Gegenstände der Erfindung

Erster Gegenstand der Erfindung ist eine Elektrolysezelle für die Herstellung von Aluminium durch das Elektrolyseverfahren von Hall und Héroult, welche Zelle Luftkühlmittel mit lokalisierten und verteilten Luftstrahlen aufweist.

Zweiter Gegenstand der Erfindung ist ein Werk zur Herstellung von Aluminium durch das Elektrolyseverfahren von Hall und Héroult, welches Werk dadurch gekennzeichnet ist, dass es erfindungsgemäße Zellen aufweist.

Beschreibung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle für die Herstellung von Aluminium durch das Elektrolyseverfahren von Hall und Héroult umfasst eine Stahlwanne, Innenauskleidungselemente und eine Kathodenanordnung und ist dadurch gekennzeichnet, dass sie Luftkühlmittel mit lokalisierten Luftstrahlen aufweist, die um die Wanne herum verteilt sind.

Erfindungsgemäß wird somit die Luft geblasen, d. h. es handelt sich um ein offenes System, bei dem der Luftstrom verloren geht. Der auf die Oberfläche bewegte Luftstrom verdünnt sich danach in der Umgebungsluft, so dass zur Kühlung des Luftstroms, der sich beim Kontakt mit den Wänden erwärmt hat, keine Spezialmittel zugeben werden brauchen.

Die so auf der Wanne auf einer relativ kleinen Fläche auftreffende Luft in Form von lokalisierten Luftstrahlen, d. h. die Luftbewegung in Form von weitgehend gerichteten und örtlich begrenzten Luftströmen sorgt für eine wirksame Kühlung der Zellenwand an bestimmten Stellen. Dabei sind die Luftstrahlen um die Wanne herum verteilt, damit die prioritären Kühlzonen auf der Wannenfläche festgelegt werden, wobei diese Zonen vorteilhaft nach dem Wärmeprofil der Zelle bestimmt werden, um insbesondere die globale Wirksamkeit der Kühlung zu erhöhen.

Die Luftkühlmittel sind insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Abgabe von Luft aufweisen, um die Wanne zu kühlen, d. h. um die von der Zelle produzierte Wärme im Bereich der Wanne abzuführen und zu dissipieren, wobei diese Mittel lokalisierte Luftstrahlen bilden, und dass sie Mittel aufweisen, um die Luftstrahlen gemäß einer bestimmten Verteilung um die Wanne herum zu verteilen.

Die Erfindung ermöglicht somit die Kontrolle bzw. die Modulierung der Elektrolysezellenleistung durch Zuweisung oder Zufügung effizienter und adaptierbarer Kühleinrichtungen, die eventuell die Form einer festen oder variablen zusätzlichen Kühlleistung zur Nominalleistung annehmen kann. Die Erfindung bietet somit die Möglichkeit, die Leistung jeder Zelle individuell zu ändern.

Der Luftdurchsatz der erfindungsgemäßen Luftkühlmittel kann variabel sein, um eine feinere Kontrolle der Kühlung, eventuell sogar eine Regelung der Kühlung zu ermöglichen. Es ist ebenfalls von Vorteil, dass die erfindungsgemäßen Mittel in die Regelungssysteme, mit denen moderne Elektrolysezellen ausgestattet sind, integriert werden können. Sie können dann über das Regelungssystem der Zelle kontrolliert oder sogar gesteuert werden, so dass sich der Wärmefluss effizienter und eventuell automatisiert regulieren lässt.

Die Zelle kann zusätzliche Luftkühlmittel aufweisen, wie zum Beispiel statische Luftkühlmittel.

Die Luftkühlmittel sind eventuell lösbar, d. h. sie können leicht in die Zelle eingebracht oder aus der Zelle herausgenommen werden, in bestimmten Fällen selbst dann, wenn die Zelle in Betrieb ist. So können die Mittel zum Beispiel bei der Reparatur einer Zelle ganz oder zum Teil herausgenommen werden, was den Zugang zur Wanne und den Wartungseingriff erleichtert.

Bei bestimmten Anwendungen kann es vorteilhaft sein, die erfindungsgemäßen Luftkühlmittel in Form einer ganz oder teilweise autonomen Kühlvorrichtung zu montieren. Eine solche Montage kann dann zu einer globaleren Gestaltung und einer leichteren Bedienung führen. Der gesamte Luftdurchsatz kann dabei verstellbar sein.

Nach der bevorzugten Ausführungsart der Erfindung umfassen die Luftkühlmittel Luftverteilungsmittel, um den Luftstrom um die Wanne herum zu verteilen, ein Luftfördermittel zum Fördern der Luft in die Luftverteilungsmittel und Mittel zur lokalisierten Abgabe von Luft, um die Luft lokalisiert in Form von Strahlen zu bewegen, wobei die Mittel zur lokalisierten Abgabe von Luft an bestimmten Stellen der Wanne angeordnet sind. Die Luftverteilungsmittel umfassen vorzugsweise Leitungssysteme wie Rohrleitungen. Die Mittel zur lokalisierten Abgabe von Luft können Stutzen, Luftauswerfer, Luftstrahlpumpen, Düsen oder Rohre sein. Sie sind vorteilhaft längs der Leitungssysteme verteilt. Der Luftdurchsatz des Luftfördermittels kann verstellbar sein. Der Luftdurchsatz eines oder mehrerer der Mittel zur lokalisierten Abgabe von Luft kann ebenfalls individuell verstellbar sein.

Das Werk zur Herstellung von Aluminium durch das Elektrolyseverfahren von Hall und Héroult gemäß dem zweiten Gegenstand der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es Zellen gemäß dem ersten Gegenstand der Erfindung aufweist. Dabei können die Zellen individuell mit den erfindungsgemäßen Luftkühlmitteln ausgestattet sein.

Die Zellen können individuell mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ausgestattet sein, die eventuell zentral kontrolliert werden kann.

In den Elektrolysewerken sind die Elektrolysezellen in der Regel gruppiert oder in Reihen angeordnet. In diesen Fällen können die Zellen vorteilhaft mit den erfindungsgemäßen Luftkühlmitteln ausgestattet werden, die jeweils ganz oder zum Teil von zwei oder mehreren Zellen genutzt werden, d. h. dass zwei oder mehrere Zellen eines der Luftkühlmittel gemeinsam nutzen. Insbesondere ist es in bestimmten Fällen vorteilhaft, wenn ein Luftfördermittel von zwei oder mehreren Zellen genutzt werden kann.

Beschreibung der Figuren

1 ist eine schematisierte Querschnittsdarstellung einer Elektrolysezelle mit zu einer Kühlvorrichtung zusammenmontierten Luftkühlmitteln nach einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung.

2 ist eine schematisierte Seitenansicht einer Elektrolysezelle nach der erfindungsgemäßen Ausführungsart der 1.

3 ist eine schematisierte Aufsicht auf eine Elektrolysezelle nach der erfindungsgemäßen Ausführungsart der 1.

4 zeigt nicht einschränkend Varianten der Erfindung, bei denen die Leitungssysteme die Elektrolysezelle ganz (b) oder zum Teil (a) umschließen.

Die 5 und 6 zeigen nicht einschränkend Varianten der Erfindung, bei denen ein gleiches Luftfördermittel von mehr als einer Zelle genutzt wird.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle (1) für die Herstellung von Aluminium durch das Elektrolyseverfahren von Hall und Héroult umfasst eine Wanne (2) aus Stahl, Innenauskleidungselemente (3) und eine Kathodenanordnung (4) sowie Luftkühlmittel mit lokalisierten Luftstrahlen, die um die Wanne (2) herum verteilt sind.

Bei den Innenauskleidungselementen (3) handelt es sich gewöhnlich um Blöcke aus feuerfestem Material, die Wärmeisolierungen sein können. Die Kathodenanordnung (4) weist Stromschienen (9) auf, an denen die elektrischen Leiter für die Stromzuführung befestigt sind. Die Auskleidungselemente und die Kathodenanordnung bilden einen Tiegel innerhalb der Zelle, der bei der Beschickung der Zelle den schmelzflüssigen Elektrolyten (7) und die Flüssigmetallschicht (6) aufnimmt. Die Anoden (11) ragen teilweise in den schmelzflüssigen Elektrolyten (7) hinein. Der schmelzflüssige Elektrolyt enthält gelöstes Aluminiumoxid und auf der flüssigen Elektrolytschicht liegt normalerweise eine Aluminiumoxidschicht (8).

Das im Zuge der Elektrolyse erzeugte Aluminiummetall (6) sammelt sich am Boden der Zelle an, so dass zwischen dem flüssigen Metall (6) und dem Kryolithbad (7) eine relativ scharfe Grenzfläche entsteht. Die Lage dieser Grenzfläche Bad-Metall ändert sich im Laufe der Zeit: sie steigt auf, je mehr Schmelze sich am Boden der Zelle ansammelt, und sinkt ab, wenn die Schmelze aus der Zelle abgezogen wird.

Der Betrieb der Zelle erfolgt generell über die Kontrolle mehrerer Parameter, wie zum Beispiel die Oxidkonzentration des Elektrolyten, die Temperatur im Elektrolysebad, die Gesamthöhe des Bades oder die Position der Anoden. In der Regel wird versucht, an den Seitenwänden (12) des Tiegels, die mit dem schmelzflüssigen Elektrolyten (7) und der Flüssigmetallschicht (6) in Kontakt stehen, einen Randansatz (5) aus erstarrtem Kryolith zu bilden. Diese Wände bestehen oft aus Randplatten aus Kohlenstoffmaterial oder Material auf Basis von Kohlenstoffverbindungen, wie zum Beispiel Feuerfestmaterial auf Basis von SiC, und Tiegelglasurpasten. Um die Effizienz der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zu erhöhen, können die Seitenwände vorgeformte, vorzugsweise homogene Blöcke oder Seiten aus einem Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufweisen, welche Wärmeleitfähigkeit wenigstens höher ist als die der Tiegelglasurpaste und besonders bevorzugt wenigstens der der normalerweise verwendeten Randplatten entspricht, zum Beispiel einem Werkstoff auf SiC-Basis.

Vorzugsweise besitzt die Zelle zusätzlich eine Abgaserfassungsvorrichtung zur Erfassung und Wiederverwertung der vom Elektrolyten während der Elektrolyse abgegebenen Abgase. Die Abgaserfassungsvorrichtung weist auf der gesamten Zelle eine Abdeckung (10) auf mit in der Regel sich öffnenden Hauben und Zugängen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung umfassen die Luftkühlmittel Luftleitungsmittel (28), wie zum Beispiel Luftleitungen (2124), ein Luftfördermittel (25) zum Fördern von Luft in die Luftleitungsmittel sowie Mittel zur lokalisierten Abgabe von Luft (27), um die Luft in Form von lokalisierten Strahlen abzugeben. Diese Mittel bilden vorzugsweise eine Kühlvorrichtung (20).

Die Luftleitungsmittel (28) können durch verschiedene Maßnahmen in Position gehalten werden. Insbesondere können sie an den Struktur- oder Verstärkungselementen, zum Beispiel den Aussteifungen der Zelle befestigt sein, die zu diesem Zweck entsprechend modifiziert oder adaptiert werden können. Die Luftleitungsmittel (28) können auch an der Wanne angebaut sein oder diese anliegend berühren oder auch am oberen Wannenrand befestigt sein.

Der Luftdurchsatz der Vorrichtung (20) kann vorteilhaft einstellbar sein, beispielsweise mit Hilfe von Ventilen oder durch eine Veränderung der Förderleistung des Luftfördermittels (25). Auch der Luftdurchsatz eines oder mehrerer der Mittel zur lokalisierten Luftabgabe kann – eventuell individuell – eingestellt werden, gegebenenfalls mit der Möglichkeit, den Luftstrom bestimmter Mittel ganz abzustellen. In bestimmten Fällen kann die Luft umgewälzt werden.

Die Luftkühlmittel bzw. die Kühlvorrichtung nach der Erfindung sind eventuell ganz oder zum Teil abnehmbar. Insbesondere die Rohrleitungen können leicht ausgebaut und transportiert werden, hauptsächlich aufgrund ihrer Ausführung als Rohrabschnitte und geeigneter Verbindungsmittel.

Die in die Luftleitungsmittel geförderte Luft wird an bestimmten Stellen mit Mitteln zur lokalisierten Luftabgabe (27), die vorteilhaft längs der Luftleitungsmittel verteilt sind, auf die Wände der Wanne geblasen. Die Mittel zur lokalisierten Luftabgabe brauchen nicht gleichmäßig auf der Wannenfläche verteilt zu sein; es kann mitunter ratsam sein, sie in bestimmten spezifischen Bereichen zu konzentrieren.

Durch die Mittel zur lokalisierten Luftabgabe (27) kann der Luftstrom zu präzisen Stellen der Wanne geleitet werden, beispielsweise in Höhe der flüssigen Elektrolytschicht (7). Dabei ist es vorteilhaft, wenn eines oder mehrere dieser Mittel (27) verstellbar sind. Die Mittel zur lokalisierten Luftabgabe (27) stoßen die Luft mit einer Geschwindigkeit aus, der sog. Ausströmgeschwindigkeit, die bevorzugt zwischen 10 und 100 m/s und besonders bevorzugt zwischen 20 und 70 m/s liegt.

Die Zahl, die Position und die Dimensionen der Mittel zur lokalisierten Luftabgabe (27), die Leistung des Luftfördermittels (25) sowie die Ausgestaltung und die Dimensionen der Luftleitungsmittel (21 bis 24) werden so gewählt, dass der Luftdurchsatz für eine effiziente Kühlung ausreicht und eine bestimmte Kühlleistung im Bereich ausgewählter Stellen gewährleistet wird, insbesondere unter Berücksichtigung der Aeraulik der Anlage.

Das Luftfördermittel (25) kann ein Lüfter sein, der Umgebungsluft ausstößt, oder ein Druckluftgebläse, z. B. eine Gebläsepumpe, oder ein druckentlastetes Druckluftsystem oder ein Überdruckluftsystem.

Wegen der elektrischen Sicherheit ist es zuweilen ratsam, das Luftfördermittel (25) vom Rest der Vorrichtung mit Hilfe eines elektrischen Isolationsmittels (26), das ein Rohrabschnitt aus elektrischem Isolationsmaterial sein kann, elektrisch zu isolieren.

Die Rohrleitungen (2124) können aus metallischen, vorzugsweise nicht magnetischen Werkstoffen (wie nicht magnetischer, nicht rostender Stahl oder Aluminium) oder aus Isolierstoffen (wie Glasfaser) bestehen oder auch aus einer Kombination daraus (zum Beispiel ein Metallrohr mit einem Mantelrohr).

Die Kühlvorrichtung (20) kann eventuell über das Hauptregelungssystem der Zelle gesteuert werden, um eine effizientere zentrale Gesamtregelung zu gewährleisten.

Die Zelle kann auch mit zusätzlichen Mitteln zur Kühlung versehen werden, insbesondere mit statischen Mitteln wie Kühlrippen oder dergleichen. Um die globale Effizienz der Mittel (oder der Vorrichtung) zu erhöhen, ist es vorteilhaft, in bestimmten Fällen und/oder an bestimmten Stellen der Zelle die Wirkung der Kühlvorrichtung mit der Wirkung der zusätzlichen Mittel zu kombinieren.

Nach einer beispielsweise in den 1 bis 3 dargestellten Variante der Erfindung bilden die Luftleitungsmittel Zweige, d. h. sie sind so aufgebaut, dass sich eine Hauptleitung (21) in horizontale Zweige unter der Zelle (22), vertikale Zweige auf den Seiten und dem Oberteil der Zelle (23) und horizontale Zweige auf den Seiten und dem Oberteil der Zelle (24) verzweigt. Diese Ausgestaltung gewährleistet ein zufriedenstellendes Luftgleichgewicht im Leitungssystem und erleichtert die Montage der Kühlvorrichtung. Dabei können insbesondere die vertikalen Zweige zwischen den Kathodenschienen (9) angeordnet sein.

Nach einer beispielsweise in 4 dargestellten Variante der Erfindung umgeben oder umschließen die Luftleitungsmittel (28) die Wanne (2) der Elektrolysezelle ganz oder zum Teil.

Nach in 5 und 6 dargestellten Varianten der Erfindung ist ein einziges Luftfördermittel (25) für mehr als eine Zelle vorgesehen, genauer gesagt für zwei oder mehrere Zellen eines Werkes. Dabei verteilt das Luftfördermittel (25) den Luftstrom über ein Leitungssystem (29), welches eine gemeinsame Hauptleitung (30) und eine Verbindungsstelle (31) für jede Zelle aufweist. Die Verbindungsstellen sind eventuell mit Ventilen versehen, um jede Zelle einzeln abzusperren, und mit Entlüftungen, um die Verteilung der Luftströme wieder auszugleichen. Diese Ventile und Entlüftungen sind insbesondere bei Arbeiten an einer besonderen Zelle bzw. an bestimmten Zellen des Zellensystems günstig, da sie es ermöglichen, die betreffende Zelle bzw. die betreffenden Zellen abzusperren und gleichzeitig ausreichende Luftmengen für die anderen an das Leitungssystem angeschlossenen Zellen aufrechtzuerhalten.

In einem Werk werden die Luftkühlmittel vorteilhaft mit einem gemeinsamen Regelungssystem für mehrere Zellen kontrolliert oder gesteuert. Dabei kann typischerweise jede Zelle, die eigene Luftkühlmittel besitzt, bzw. jede Gruppe von Zellen mit Luftkühlmitteln, von denen Teile gemeinsam genutzt werden (insbesondere das Fördermittel), mit einer sog. Hauptregelung gesteuert werden, und sämtliche Zellen bzw. Gruppen von Zellen einer besonderen Elektrolysehalle des Werkes können global mit einer sog. Zusatzregelung gesteuert werden.

Beispiel

An 300 kA-Elektrolysezellen wurden mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit folgenden spezifischen Merkmalen Versuche durchgeführt.

Mit Bezug auf 1 bis 3 verläuft eine Hauptleitung (21) in Längsrichtung unter der Wanne (2) bis etwa zur Mitte der Zelle und teilt sich dort in drei quer zueinander angeordnete Zweige (22a, 22b, 22c) geringeren Querschnitts als die Hauptleitung. Dabei verläuft ein Längszweig (22a) unter der Wanne bis zu deren anderen Ende, bildet dort einen vertikalen Zweig (23a), der am Zellenoberteil entlang bis ungefähr in Höhe der Randplatte nach oben läuft und sich dann in zwei horizontale Abzweige (24a, 24a') teilt, die bis zu den Seitenrändern der Zelle reichen. Die beiden anderen Zweige (22b, 22c), die Querzweige, erstrecken sich bis zu den Seiten der Wanne, bilden dort vertikale Zweige (23b, 23c), die längs der Wanne bis ungefähr in Höhe der Randplatte nach oben laufen und sich dann auf jeder Seite der Zelle in zwei horizontale Abzweige (24b, 24b', 24c, 24c') teilen, die bis zum Oberteil der Zelle reichen. Dabei ist ein vertikaler Zweig (23c), entsprechend dem Zweig (23a), direkt mit der Hauptleitung verbunden und teilt sich ebenfalls in zwei horizontale Abzweige (24c, 24c').

An den Abzweigen entlang wurden Düsen (27) gleichmäßig angeordnet, je nach Versuch 5 bis 8 Düsen an jedem Zellenoberteil und 15 bis 20 Düsen an jeder Zellenwand. Die Düsen wurden approximativ auf den in den meisten Versuchen theoretischen Bad-Metall-Spiegel gerichtet. In einigen Versuchen wurden bestimmte Düsen auf Strukturverstärkungselemente der Wanne gerichtet, die somit als Kühlrippen dienten. Die Rohrleitungen und die Düsen waren aus Stahl, zum Teil aus nicht rostendem Stahl.

Das Luftfördermittel (25) war in einigen Versuchen ein mechanischer Lüfter und in anderen Versuchen eine Luftstrahlpumpe. Die Kühlvorrichtungen waren mit Mitteln zur Änderung des Luftdurchsatzes versehen.

Die Versuche zeigten, dass bei Luftausströmgeschwindigkeiten am Austritt der Düsen von etwa 10 m/s bis etwa 100 m/s die Kühlvorrichtung effizient bleibt. Bei Geschwindigkeiten unter 10 m/s nahm die Wirksamkeit der Vorrichtung stark ab, ihre Wirkung wurde schließlich unbedeutend. Geschwindigkeiten über 100 m/s führten zu sehr großen Druckverlusten, die Fördermittel erfordert hätten, deren Leistung und/oder Kosten ein Hindernis darstellen. Die besten Ergebnisse wurden mit Ausströmgeschwindigkeiten zwischen 20 und 70 m/s erzielt.

Temperaturmessungen mit Hilfe von Thermoelementen und Pyrometern zeigten, dass durch die Kühlvorrichtung die mittlere Temperatur in Höhe der Seitenwände um 50 bis 100°C herabgesetzt werden konnte. Die Regelung der Kühlung gelang auf einfache Weise durch Änderung des Luftdurchsatzes.

Die Anmelderin stellte somit überraschenderweise fest, dass sich mit der erfindungsgemäßen Luftkühlung zufriedenstellende Kühlraten erzielen lassen, und zwar ohne Einsatz von Fördermitteln und Gebläsen oder Rohrleitungen, die übertrieben groß oder disproportioniert sind und/oder zu hohe oder sogar hinderliche Investitionen und/oder Betriebskosten erfordern.

Weiterhin zeigten diese Versuche, dass sich die auf den Wänden der Zelle auftreffende und dabei erwärmende Luft relativ schnell in der Umgebungsluft verdünnt und die Temperatur der Umgebungsluft nicht signifikant erhöht. Mit anderen Worten: die Versuche zeigten keine Umgebungstemperaturwerte auf, die von den Werten, die üblicherweise in der Nähe der Zellen älterer Technik beobachtet werden, in signifikanter Weise abweichen, selbst wenn die Umgebungstemperatur im Sommer extreme Werte erreicht.

Des Weiteren wurde überraschenderweise festgestellt, dass der Geräuschpegel der Vorrichtung besonders niedrig ist.

Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäß ermöglichen die Luftkühlmittel die Abführung und Dissipation der in der Elektrolysezelle produzierten Wärmeenergie durch eine optimale Kontrolle bestimmter Wärmeflüsse, welche Kontrolle an unterschiedliche Klimabedingungen und/oder Betriebsbedingungen der Zelle, die von den Nenn- oder Standardbedingungen in signifikanter Weise abweichen können, angepasst werden kann. Die Luftkühlmittel ermöglichen zudem eine präzise Kontrolle der Bildung des Randansatzes aus erstarrtem Kryolith.

Die erfindungsgemäßen Luftkühlmittel, bzw. die Kühlvorrichtung, lassen sich ohne weiteres an alle Zellenarten und an unterschiedliche Umgebungen anpassen. Sie lassen sich leicht auf existierende Zellen montieren, insbesondere bei deren Überholung, beim Einbau einer Wärmeregelung und/oder bei Änderung der Nennstromstärke. Die Erfindung erleichtert ganz besonders die Veränderung der Zellenleistung, wobei zum Beispiel technische, wirtschaftliche und/oder vertragliche Zwänge berücksichtigt werden können. Insbesondere ermöglicht die Erfindung eine Erhöhung der Nennstromstärke existierender Zellen, ohne dass dies eine vorzeitige Abnutzung der Zellen zur Folge hat.

In einem erfindungsgemäßen Elektrolysewerk lässt sich dadurch, dass die Luftkühlmittel bzw. die Kühlvorrichtung sowie deren Betriebsbedingungen von einer Zelle auf die andere angepasst werden können, der Betrieb mehrerer Zellen auf einmal oder sogar eines kompletten Zellensystems optimieren, so dass vor allem der Arbeitspunkt der Zellen gleichgeschaltet werden kann. Insbesondere ermöglicht die Erfindung eine individualisierte Wärmekontrolle der Zellen eines Werkes, was sich bei Werken mit hoher Produktivität oftmals als notwendig erweist. Dies ist zum Beispiel bei den Übergangsphasen der Fall, die dann auftreten, wenn bestimmte Zellen einer gleichen Serie neue Ausmauerungen oder Ausmauerungen haben, die vom Rest der Serie abweichen.

Die Erfindung ermöglicht auch die Modernisierung existierender Werke ohne Eingriffe in den Bereich des Unterbaus, die für solche Maßnahmen hinderlich wären.

Durch die Erfindung kann außerdem die Standzeit einer Altzelle verlängert werden, deren Wanne anormal heiße Punkte aufweist.


Anspruch[de]
  1. Elektrolysezelle für die Herstellung von Aluminium durch das Hall-Heroult-Elektrolyseverfahren mit einer Stahlwanne, Innenauskleidungselementen und einer Kathodenanordnung, wobei die Zelle dadurch gekennzeichnet ist, dass sie Luftkühlmittel mit lokalisierten Luftstrahlen aufweist, die um die Wanne herum verteilt sind.
  2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftdurchsatz der Luftkühlmittel variabel ist.
  3. Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkühlmittel durch das Regelungssystem der Zelle gesteuert werden.
  4. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkühlmitel ganz oder zum Teil herausnehmbar sind.
  5. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkühlmittel in Form einer Kühlvorrichtung montiert sind.
  6. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkühlmittel Luftverteilungsmittel, ein Luftfördermittel zum Fördern von Luft in die Verteilungsmittel sowie Mittel zur lokalisierten Abgabe von Luft aufweist, um die Luft in Form von lokalisierten Luftstrahlen abzugeben.
  7. Zelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftdurchsatz eines oder mehrerer der Mittel zur lokalisierten Abgabe von Luft variabel ist.
  8. Zelle nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eines oder mehrere der Mittel zur lokalisierten Abgabe von Luft verstellbar sind.
  9. Zelle nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur lokalisierten Abgabe von Luft aus der Gruppe der Stutzen, Luftauswerfer, Luftstrahlpumpen, Düsen oder Rohre gewählt werden.
  10. Zelle nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur lokalisierten Abgabe von Luft die Luft mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 100 m/s und vorzugsweise 20 bis 70 m/s abgeben.
  11. Zelle nach den Ansprüchen 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftfördermittel aus der Gruppe der Lüfter, Druckluftgebläse, druckentlasteten Druckluftsysteme und Überdruckluftsysteme gewählt wird.
  12. Zelle nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftdurchsatz des Luftfördermittels variabel ist.
  13. Zelle nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftverteilungsmittel Luftleitungsmittel wie Luftleitungen aufweisen.
  14. Zelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur lokalisierten Abgabe von Luft längs der Luftleitungsmittel verteilt sind.
  15. Zelle nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftleitungsmittel Zweige bilden.
  16. Zelle nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftleitungsmittel die Wanne ganz oder zum Teil umgeben oder umschließen.
  17. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände des im Innern der Wanne durch die Auskleidungselemente und die Kathodenanordnung gebildeten Tiegels vorgeformte Blöcke aufweisen.
  18. Werk zur Herstellung von Aluminium durch das Hall-Heroult-Elektrolyseverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass es Zellen nach einem der Ansprüche 1 bis 17 aufweist.
  19. Werk nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Zellen eines der Luftkühlmittel gemeinsam haben.
  20. Werk zur Herstellung von Aluminium durch das Hall-Heroult-Elektrolyseverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass es Zellen nach einem der Ansprüche 6 bis 17 aufweist und dass zwei oder mehrere Zellen das Luftfördermittel gemeinsam haben.
  21. Werk nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame Luftfördermittel den Luftstrom über ein Leitungssystem verteilt, welches eine gemeinsame Hauptleitung und eine Verbindungsstelle für jede der Zellen aufweist.
  22. Werk nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass jede Verbindungsstelle mit mindestens einem Ventil versehen ist, um die zugehörige Zelle an der Verbindungsstelle zu isolieren, und mit mindestens einer Entlüftung, um die Verteilung der Luftströme wieder auszugleichen.
  23. Werk nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkühlmittel durch ein für zwei oder mehrere Zellen gemeinsames Regelungssystem gesteuert werden.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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