Электролизер для получения алюминия и способы поддержания корки на боковой стенке и регенерации электричества
Изобретение относится к электролизеру для получения алюминия, способу поддержания корки на боковой стенке электролизера для получения алюминия и способу и регенерирования электричества от электролизера для получения алюминия. Техническим результатом изобретения является регенерация тепловых потерь через боковые стенки электролитической ванны в виде электричества, а также получение тонкого стабильного слоя застывшего электролита на внутренней стороне футеровки боковых стенок, не подвергающегося влиянию отклонений температуры расплавленного электролита или состава электролита. Электролизер содержит анод и электролизную ванну, содержащую наружный кожух из стали, углеродные блоки в днище электролизной ванны, образующие катод электролизера, и высокотемпературный, термостойкий и теплоизоляционный материал, расположенный на внутренней части боковых стенок стального кожуха. По меньшей мере часть боковой стенки электролизной ванны состоит из одной или большего количества панелей испарительного охлаждения. 4 н. и 18 з.п ф-лы, 3 ил.
Область техники
Изобретение относится к электролизеру для получения алюминия, к электролизной серии, содержащей множество электролизеров для получения алюминия, к способу поддержания корки на боковой стенке электролизера для получения алюминия и к способу регенерации электричества из электролизера для получения алюминия.
Уровень техники
Алюминий получают в электролизерах, содержащих электролизную ванну, имеющую катод и анод, которым является либо самообжигающийся углеродный анод, либо множество предварительно обожженных углеродных анодов. Оксид алюминия (глинозем) подают в раствор электролита на основе криолита, который также называется электролитической ванной и в котором растворяется указанный оксид алюминия. В ходе процесса электролиза алюминий выделяется на катоде и образует слой расплавленного алюминия на дне электролизной ванны, при этом слой криолитного электролита плавает поверх слоя алюминия. На аноде выделяется газообразный СО, обуславливая потребление анода. Рабочая температура криолитного электролита обычно находится в интервале от примерно 920 до примерно 950°С.
Электролизная ванна состоит из наружного стального кожуха, в днище которого имеются углеродные блоки. Эти блоки соединены с электрическими шинами, поэтому углеродные блоки действуют как катод. Боковые стенки электролизной ванны обычно футерованы по стальному кожуху огнеупорным материалом, причем слой углеродных блоков или углеродной пасты выполняют на внутренней стороне огнеупорного материала. Имеются несколько типов футеровочных материалов и типов расположения или установки футеровки на боковых стенках.
В процессе работы электролизера на боковых стенках электролизной ванны образуется корка или пласт застывшего электролита. Указанный слой в процессе работы электролизера может меняться по толщине. Образование указанной корки и ее толщина являются критическими для работы электролизера. Если корка становится слишком толстой, она нарушает работу электролизера, т.к. температура электролита вблизи стенок становится более холодной, чем температура в толще слоя электролита, мешая в результате растворению оксида алюминия в указанном электролите. С другой стороны, если застывший слой корки становится тонким или отсутствует, электролит может разрушить футеровку боковых стенок электролизной ванны, что в конце концов может привести к повреждению электролизной ванны или выходу ее из строя. Если электролит разрушает боковые стенки, то электролизер должен быть остановлен, поврежденная электролизная ванна должна быть удалена, и вместо нее должна быть установлена новая электролизная ванна. Это является одной из главных причин сниженного среднего срока службы ванн.
Из Авторского свидетельства СССР №1286641, опубликованного 30.01.1987, известно навешивание на борт катодного кожуха вдоль периметра ванны охлаждаемых теплоотбирающих элементов в виде отдельных секционных плит, которые расположены на поверхности жидкометаллического катода и в процессе электролиза покрываются (зарастают) гарнисажем, образующимся из компонентов расплавленного электролита, которые не загрязняют катодный металл. Указывается также на возможность использования охлаждающего агента в виде горячего воздуха для выравнивания температурного поля поверхности жидкой анодной массы.
Из патента США №4749463, опубликованного 07.06.1988 и являющегося ближайшим аналогом предложенного в настоящем изобретении способа регенерации электричества, известен способ регенерации электричества из электролизера для получения алюминия и поддержания корки на боковой стенке электролизера, содержащей высокотемпературный, термостойкий и теплоизоляционный материал, включающий в себя передачу тепла от расплавленного электролита внутри электролизера и отвод тепла с помощью охлаждающих камер к газовой турбине для генерации электричества.
Из патента США №4608134, опубликованного 26.08.1986 и являющегося ближайшим аналогом предложенного в настоящем изобретении электролизера, известен электролизер для получения алюминия, содержащий анод и электролизную ванну, содержащую наружный кожух из стали, углеродные блоки в днище электролизной ванны, образующие катод электролизера, и высокотемпературный, термостойкий и теплоизоляционный материал, расположенный на внутренней части боковых стенок стального кожуха. В данном электролизере предусмотрены средства для охлаждения верхней части футеровки боковой стенки рядом с поверхностью солевого расплавленного электролита для способствования образованию защитного слоя из застывшего электролита при сохранении в ячейке по меньшей мере части извлеченного тепла.
Однако, чтобы поддерживать надлежащую толщину застывшего слоя электролита на футеровке боковых стенок, необходимо конструировать футеровку боковых стенок таким образом, чтобы поток тепла от электролизной ванны через футеровку боковых стенок был достаточным для поддержания застывшей корки на внутренней стороне футеровки боковых стенок. Тепловые потери через боковые стенки электролизной ванны могут, таким образом, составить до 40% общих тепловых потерь электролизера. Однако, даже с надлежащей конструкцией футеровки боковых стенок невозможно получить и поддерживать тонкий стабильный слой застывшего электролита на футеровке боковых стенок из-за колебаний состава электролита и других переменных технологических параметров, не находящихся под контролем оператора.
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является создание электролизера для получения алюминия, в котором тепловые потери через боковые стенки электролизной ванны частично регенерируются в виде электричества и в котором получают и поддерживают тонкий стабильный слой застывшего электролита на внутренней стороне футеровки боковых стенок. Другой целью данного изобретения является обеспечение того, что застывший слой не подвергается влиянию отклонений температуры расплавленного электролита или состава электролита.
Соответственно, настоящее изобретение предлагает электролизер для получения алюминия, содержащий анод и электролизную ванну, содержащую наружный кожух из стали, углеродные блоки в днище электролизной ванны, образующие катод электролизера, и высокотемпературный, термостойкий и теплоизоляционный материал, расположенный на внутренней части боковых стенок стального кожуха, отличающийся тем, что по меньшей мере часть боковой стенки электролизной ванны состоит из одной или большего количества панелей испарительного охлаждения.
В настоящем изобретении также предложена электролизная серия, содержащая множество электролизеров для получения алюминия, имеющих анод и электролизную ванну, содержащую наружный кожух из стали, углеродные блоки в днище электролизной ванны, образующие катод электролизера, и расположенный на внутренней части боковых стенок стального кожуха высокотемпературный, термостойкий и теплоизоляционный материал, отличающаяся тем, что каждый из электролизеров имеет одну или большее количество панелей испарительного охлаждения для содержания в них первой охлаждающей среды, расположенных на по меньшей мере части указанного термостойкого и теплоизоляционного материала, образующего боковую стенку, и обращенных внутрь электролизной ванны; первый замкнутый контур для циркуляции второй охлаждающей среды, часть которого проходит через верхнюю часть панели испарительного охлаждения для охлаждения первой охлаждающей среды, а другая часть которого расположена в указанном термостойком и теплоизоляционном материале; и теплообменник, расположенный в указанном термостойком и теплоизоляционном материале и соединенный с первым замкнутым контуром; при этом электролизная серия снабжена вторым замкнутым контуром для циркуляции третьей охлаждающей среды, соединенным с теплообменником каждого электролизера для передачи тепла от второй охлаждающей среды к третьей охлаждающей среде.
Согласно предпочтительному варианту выполнения все боковые стенки электролизера оборудованы панелями испарительного охлаждения.
Согласно другому варианту выполнения панели испарительного охлаждения предназначены для содержания первой охлаждающей среды, которая имеет точку или температуру кипения при атмосферном давлении в интервале между 850 и 950°С, предпочтительно между 900 и 950°С.
Подходящие панели испарительного охлаждения содержат расплавленный натрий, натрий-литиевый сплав или цинк в качестве охлаждающей среды.
Согласно еще одному варианту выполнения настоящего изобретения каждая панель испарительного охлаждения имеет в своей верхней части средство циркуляции второй охлаждающей среды для конвективного отвода тепла с конденсацией охлаждающей среды в панели испарительного охлаждения.
Согласно еще одному варианту выполнения настоящего изобретения средством циркуляции второй охлаждающей среды является первый замкнутый контур, и часть указанного первого замкнутого контура проходит через верхнюю часть каждой панели испарительного охлаждения, находящейся в электролизере.
Части первого замкнутого контура для второй охлаждающей среды, которые не располагаются внутри верхней части панелей испарительного охлаждения, предпочтительно размещаются в термостойком и теплоизоляционном материале, расположенном между панелями испарительного охлаждения и стальным кожухом.
Первый замкнутый контур для циркуляции второй охлаждающей среды, предпочтительно, соединен с теплообменником для передачи тепла от второй охлаждающей среды к третьей охлаждающей среде, содержащейся во втором замкнутом контуре. После нагревания в теплообменнике третью охлаждающую среду прокачивают через генератор для получения электроэнергии. Теплообменник, предпочтительно, размещен в термостойком и теплоизоляционном материале, расположенном между панелями испарительного охлаждения и стальным кожухом.
Второй замкнутый контур для циркуляции третьей охлаждающей среды, предпочтительно, соединен с теплообменниками для множества электролизеров, а более предпочтительно, соединен с теплообменниками для всех электролизеров в электролизной серии.
При работе электролизной серии из множества электролизеров согласно настоящему изобретению каждую панель испарительного охлаждения в отдельном электролизере настраивают для работы так, чтобы температура на стороне панелей, обращенной внутрь электролизеров, была немного ниже температуры расплавленного электролита, предпочтительно, на 2-50°С ниже температуры электролита. Таким образом, благодаря небольшому перепаду температуры между панелями испарительного охлаждения и расплавленным электролитом образуется тонкая, твердая и стабильная корка электролита на той стороне панелей испарительного охлаждения, которая обращена к расплавленному электролиту. Указанная корка защищает те стороны панелей испарительного охлаждения, которые обращены к расплавленному электролиту. В качестве примера, если температура электролита составляет 940°С, то панели испарительного охлаждения настраивают для работы при 920°С. Кроме того, благодаря термостойкому и теплоизоляционному материалу, расположенному между панелями испарительного охлаждения и стальным кожухом, тепловой поток через боковую стенку является незначительным.
Тепло передается от электролита к каждой панели испарительного охлаждения, и первая жидкая охлаждающая среда в нижней части панелей испарительного охлаждения передает указанное тепло к верхней части панелей испарительного охлаждения посредством испарения части первой жидкой охлаждающей среды. В верхней части панелей испарительного охлаждения пар будет конденсироваться, т.к. он приходит в контакт с первым замкнутым контуром для циркуляции второй охлаждающей среды, и тепло конденсации передается второй охлаждающей среде. Конденсированная первая охлаждающая среда стекает вниз в нижнюю часть панелей испарительного охлаждения.
Тепло, переданное второй охлаждающей среде, вызывает повышение температуры второй охлаждающей среды, которое передается к третьей охлаждающей среде во втором замкнутом контуре в том случае, когда вторая охлаждающая среда проходит через теплообменник.
Количество тепла, передаваемого от электролита к отдельным панелям испарительного охлаждения в электролизере, может меняться от панели к панели, а также со временем. Для обеспечения передачи необходимого количества тепла от каждой отдельной панели испарительного охлаждения, в первом охлаждающем замкнутом контуре согласно изобретению размещается средство регулирования температуры или количества второй охлаждающей среды, проходящей через верхнюю часть каждой панели испарительного охлаждения. Это может быть выполнено рядом способов. Так, части первого замкнутого контура для циркуляции второй охлаждающей среды оборудуют электронагревательными элементами для нагрева второй охлаждающей среды непосредственно перед тем, как она поступает в верхнюю часть каждой из панелей испарительного охлаждения. В другом варианте выполнения устанавливают клапаны и трубы для пуска в обход части второй охлаждающей среды, чтобы регулировать количество второй охлаждающей среды, которая поступает в первый замкнутый контур внутри верхней части каждой панели испарительного охлаждения.
В третьем варианте выполнения могут быть размещены регулируемые клапаны на части первого охлаждающего контура для второй охлаждающей среды с тем, чтобы регулировать количество второй охлаждающей среды, текущей в части первого охлаждающего замкнутого контура, расположенного внутри верхней части каждой панели испарительного охлаждения.
Индивидуальный контроль теплопереноса для каждой панели испарительного охлаждения гарантирует, что перенос тепла всегда будет регулироваться таким образом, что тонкий застывший слой электролита поддерживается на обращенных к электролиту сторонах всех панелей испарительного охлаждения в каждом электролизере.
Второй охлаждающей средой в первом замкнутом контуре является, предпочтительно, газ, такой как углекислый газ, азот, гелий или аргон, работающий при более низкой температуре, чем температура первой охлаждающей среды.
Как указано выше, тепло от второго замкнутого контура для циркуляции третьей охлаждающей среды циркулирует через теплообменники, соединенные с теплообменниками множества электролизеров. Третьей охлаждающей средой является, предпочтительно, газ, такой как гелий, неон, аргон, монооксид углерода, углекислый газ или азот, у которого после циркуляции через теплообменники для всех электролизеров в электролизной серии постепенно увеличиваются температура и давление. Нагретую третью охлаждающую среду подают к газовой турбине, соединенной с генератором, для получения электрического тока, тогда как охлажденный газ, выходящий из турбины, рециклируется во второй замкнутый контур. Указанный замкнуто-контурный перенос тепловой энергии может дать превращение тепловой энергии в электричество с коэффициентом полезного действия 45% или более. На основе такой регенерации электроэнергии общий выход по току электролизеров значительно улучшается.
Поскольку настоящее изобретение делает возможным контроль температуры на границе раздела между панелями испарительного охлаждения и расплавленным электролитом, с обеспечением в результате тонкого твердого слоя электролита на обращенной к нему стороне панелей, риск разрушения боковых стенок электролизера исключается. Средний срок службы электролизеров таким образом значительно увеличивается.
Кроме того, устранение традиционных больших корок твердого электролита на боковых стенках обеспечивает лучшую эффективность и контроль работы благодаря тому, что температура расплавленного электролита вдоль боковых стенок будет незначительно отличаться от температуры в объеме или толще электролита. Это приводит к более быстрому растворению вводимого оксида алюминия, когда оксид, по меньшей мере при использовании анода Содерберга подают вблизи боковой стенки электролизера.
Наконец, в электролизере настоящего изобретения рабочая температура и состав электролита могут быть более свободно выбраны для оптимизации коэффициента полезного действия электролизера, поскольку температура боковой стенки может регулироваться независимо от температуры электролита панелями испарительного охлаждения с поддержанием идеальной разницы температур по отношению к электролиту. Так, например, содержание фторида в электролите может быть увеличено с получением в результате более быстрого растворения оксида алюминия, вводимого в электролит, и плотность тока каждого электролизера может быть оптимизирована, при этом не принимая во внимание возможное разрушение боковой стенки.
В настоящем изобретении предложен также способ поддержания корки на боковой стенке электролизера для получения алюминия, включающий в себя образование корки путем передачи тепла от расплавленного электролита внутри электролизера к боковой стенке, образованной высокотемпературным, термостойким и теплоизоляционным материалом, находящимся в контакте со стальным кожухом электролизера, отличающийся тем, что передачу тепла от расплавленного электролита внутри электролизера осуществляют посредством размещения внутри электролизера одной или большего количества панелей испарительного охлаждения с первой охлаждающей средой, одна сторона которых находится в контакте с расплавленным электролитом внутри электролизера, а другая сторона которых находится в контакте с указанным термостойким и теплоизоляционным материалом, причем температуру первой охлаждающей среды в панелях испарительного охлаждения поддерживают так, чтобы температура обращенной к расплавленному электролиту стороны панелей была немного ниже температуры самого расплавленного электролита для образования корки на обращенной к расплавленному электролиту стороне панелей.
Как отмечено выше, предпочтительно, чтобы температура на одной стороне панели была на от примерно 2 до примерно 50°С ниже температуры расплавленного электролита. Таким образом поддерживается надлежащая толщина корки, т.е. не слишком толстая и не слишком тонкая.
Температуру первой охлаждающей среды поддерживают с помощью второй охлаждающей среды, которая циркулирует через первый охлаждающий контур, так что происходит теплообмен между первой охлаждающей средой и второй охлаждающей средой. Для охлаждения второй охлаждающей среды осуществляют теплообмен между второй охлаждающей средой и третьей охлаждающей средой с помощью теплообменника.
Для того чтобы регулировать температуру первой охлаждающей среды и, аналогичным образом, температуру стороны панели, обращенной к расплавленному электролиту, количество второй охлаждающей среды или температуру второй охлаждающей среды, которая обменивается теплом с первой охлаждающей средой, регулируют либо клапанами, либо нагревательным устройством.
Наконец, для того чтобы обеспечить энергетическую эффективность вышеуказанного способа, тепло третьей охлаждающей среды регенерируют в виде электроэнергии с помощью газовой турбины, соединенной с электрогенератором.
Дополнительно в настоящем изобретении предложен способ регенерации электричества из электролизера для получения алюминия и поддержания корки на боковой стенке электролизера, содержащей высокотемпературный, термостойкий и теплоизоляционный материал, включающий в себя передачу тепла от расплавленного электролита внутри электролизера и отвод тепла с помощью газовой турбины и электрического генератора для генерирования электричества, отличающийся тем, что передачу тепла от расплавленного электролита внутри электролизера осуществляют посредством размещения внутри электролизера одной или большего количества панелей испарительного охлаждения с первой охлаждающей средой, одна сторона которых находится в контакте с расплавленным электролитом внутри электролизера, а другая сторона которых находится в контакте с указанным термостойким и теплоизоляционным материалом, контактирующим со стальным кожухом электролизера, причем температуру первой охлаждающей среды в панелях испарительного охлаждения поддерживают так, чтобы температура обращенной к расплавленному электролиту стороны панелей была немного ниже температуры самого расплавленного электролита для образования корки на обращенной к расплавленному электролиту стороне панелей, посредством второй охлаждающей среды, циркулирующей в первом замкнутом контуре для теплообмена между первой и второй охлаждающими средами; и производят теплообмен между указанной второй охлаждающей средой и третьей охлаждающей средой посредством теплообменника для охлаждения второй охлаждающей среды, а отвод тепла с помощью газовой турбины и электрического генератора для генерирования электричества осуществляют от третьей охлаждающей среды.
В частности, температуру первой охлаждающей среды поддерживают с помощью второй охлаждающей среды, которая циркулирует через первый замкнутый контур, так что происходит теплообмен между первой охлаждающей средой и второй охлаждающей средой. Также с помощью теплообменника происходит теплообмен между второй охлаждающей средой и третьей охлаждающей средой. Тепло отводят от третьей охлаждающей среды с помощью газовой турбины, соединенной с электрогенератором, с тем, чтобы генерировать электричество.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлен частичный вертикальный разрез электролизера согласно изобретению;
на фиг.2 схематически показан вид сверху электролизера согласно настоящему изобретению с размещением охлаждающих контуров; и
на фиг.3 представлен частичный вертикальный разрез предпочтительного электролизера согласно изобретению.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показан электролизер 1 для получения алюминия. Электролизер содержит электролизную ванну 2, имеющую наружный кожух 3, выполненный из стали. В днище стального кожуха 3 размещаются углеродные блоки 4, которые соединены с электрическими выводами (не показаны), причем указанные углеродные блоки представляют собой катод электролизера. Анод 5 расположен выше и отделен некоторым расстоянием от углеродных блоков 4. Анодом 5 являются, предпочтительно, предварительно обожженные углеродные анодные блоки или самообжигающийся углеродный анод, также называемый анодом Содерберга. Анод 5 подвешивают, как указано выше, традиционным способом (не показано) и соединяют с электрическими выводами.
Внутри стального кожуха 3 на боковых стенках электролизной ванны размещается слой теплоизоляционного огнеупорного материала 6, а на внутренней стороне теплоизоляционного огнеупорного материала 6 расположена панель 7 испарительного охлаждения, обращенная внутрь электролизера. Панель 7 испарительного охлаждения, предпочтительно, выполнена из немагнитной стали. Панель 7 испарительного охлаждения состоит из нижней части 8, предназначенной для содержания первой охлаждающей среды в жидком состоянии, причем указанная первая охлаждающая среда имеет температуру плавления ниже рабочей температуры электролизера и температуру кипения около рабочей температуры электролизера. Предпочтительной охлаждающей средой является натрий, но могут быть использованы другие охлаждающие среды, удовлетворяющие вышеуказанным требованиям.
Панель 7 испарительного охлаждения имеет верхнюю часть 9 для конденсации охлаждающей жидкости, испарившейся из нижней части 8 панели 7 испарительного охлаждения. Конденсирование испарившейся охлаждающей среды в верхней части 9 панели 7 испарительного охлаждения имеет место при циркуляции второй охлаждающей среды, имеющей более низкую температуру, чем первая охлаждающая среда, содержащаяся в панели 7 испарительного охлаждения, по трубе 10С, которая образует часть первого охлаждающего замкнутого контура 10, проходящего внутри верхней части 9 панели 7 испарительного охлаждения.
При работе электролизер содержит нижний слой 11 расплавленного алюминия и верхний слой 12 расплавленного электролита на основе криолита. Оксид алюминия традиционным способом подается в электролит 12 и растворяется в нем.
На фиг.2 схематически показан вид сверху электролизера согласно изобретению с размещением охлаждающих контуров.
Панели 7 испарительного охлаждения, покрывающие всю поверхность боковых стенок, показаны как Р1-Р14. Чтобы сделать чертеж более легким для понимания, огнеупорный теплоизоляционный материал и наружный стальной кожух на фиг.2 не показаны. Анод 5, показанный на фиг.2, является анодом типа анода Содерберга.
Первый замкнутый контур для циркуляции второй охлаждающей среды, которой, предпочтительно, является углекислый газ, азот, гелий или аргон, показан под номером 10. Насос 13 установлен в первом замкнутом контуре для циркуляции второй охлаждающей среды, и здесь же установлен теплообменник 14, через который циркулирует вторая охлаждающая среда. Первый замкнутый контур 10 имеет отводы 15 и 16, входящие в и выходящие из верхней части 9 каждой из панелей 7 испарительного охлаждения. Только несколько отводов 15 и 16 показаны на фиг.2. На каждом из отводов 15, входящих в верхнюю часть 9 панелей 7 испарительного охлаждения, расположены нагревательные элементы 17.
Первый замкнутый контур 10 для циркуляции второй охлаждающей среды работает следующим образом.
Когда вторая охлаждающая среда проходит через теплообменник 14, тепло передается от второй охлаждающей среды к третьей охлаждающей среде для того, чтобы получить заданную температуру второй охлаждающей среды, когда она проходит через теплообменник. Третья охлаждающая среда находится во втором замкнутом контуре 18. Для того чтобы дополнительно регулировать температуру второй охлаждающей среды, предпочтительно, размещают обводной контур 21, делающий возможным пускать в обход часть второй охлаждающей среды вне теплообменника 14.
Часть второй охлаждающей среды проходит в панель Р1 испарительного охлаждения через отвод 15, где вторая охлаждающая среда нагревается благодаря теплу конденсации первой охлаждающей среды в панели Р1 испарительного охлаждения. Затем вторая охлаждающая среда выходит из панели Р1 испарительного охлаждения через отвод 16 в главный трубопровод 10. Аналогичные процессы протекают во всех панелях Р1-Р14 испарительного охлаждения. Вторая охлаждающая среда, которая нагревается в каждой из панелей Р1-Р14 испарительного охлаждения, затем проходит через теплообменник 14, где температура второй охлаждающей среды снова понижается.
Количество тепла, передаваемого второй охлаждающей среде в процессе конденсации первой охлаждающей среды в верхней части 9 панелей 7 испарительного охлаждения, может варьироваться от одной панели 7 испарительного охлаждения к другой панели 7 испарительного охлаждения, а количество тепла, передаваемого второй охлаждающей среде для каждой панели 7 испарительного охлаждения, может также различаться во времени. Поэтому предпочтительно включать в конструкцию электролизера средство индивидуального регулирования либо температуры, либо количества второй охлаждающей среды, поступающей в трубу 10С внутри каждой панели 7 испарительного охлаждения. В одном варианте это осуществляется размещением электронагревательных элементов 17 на каждом из отводов 15. Нагревательные элементы 17 регулируются отдельно, предпочтительно, на основе температур, измеряемых термопарами, расположенными в каждой панели 7 испарительного охлаждения.
В другом варианте в каждом отводе 15 размещаются отдельно регулируемые клапана, которые увеличивают или снижают количество второй охлаждающей среды, проходящей в отводах 15, на основе температуры в каждой отдельной панели 7 испарительного охлаждения.
Таким образом, температуру первой охлаждающей среды в нижней части каждой панели 7 испарительного охлаждения устанавливают на предварительно заданную температуру или в заданном температурном интервале.
Для того чтобы отвести тепло от второй охлаждающей среды, когда она проходит через теплообменник 14, устанавливают второй замкнутый контур 18 для транспортирования третьей охлаждающей среды, имеющей более низкую температуру, чем температура второй охлаждающей среды, когда она проходит через теплообменник 14. Третьей охлаждающей средой, циркулирующей в замкнутом контуре 18, является, предпочтительно, газ. После нагревания в теплообменнике 14 газ подают к турбине 19, соединенной с генератором 20 для генерирования электричества. Охлажденный газ, выходящий из турбины 19, затем возвращается в теплообменник 14. Тепловая энергия газа преобразуется в электроэнергию в генераторе 20 с коэффициентом полезного действия 45% или более.
Второй замкнутый контур 18 для циркуляции третьей охлаждающей среды, предпочтительно, соединен с теплообменниками 14 для множества электролизеров и, более предпочтительно, с теплообменниками 14 для всех электролизеров в электролизной серии. Это показано на фиг.2, где представлен второй теплообменник 14А для второго электролизера.
Электричество, получаемое в генераторе 20, дает значительное снижение энергии, фактически потребляемой в электролизере на тонну получаемого алюминия.
Второй замкнутый контур 18 имеет насос 22 для циркуляции третьей охлаждающей среды и традиционное стравливающее устройство 23.
Как отмечено выше, предпочтительно, чтобы большинство частей первого замкнутого контура 10 и теплообменника 14 размещалось в термостойком и теплоизоляционном материале 6. Данный предпочтительный вариант показан на фиг.3, где каждая электролизная ванна имеет впуск и выпуск для соединения с трубопроводом второго замкнутого контура 18. Выпускная труба 10А и впускная труба 10В первого замкнутого контура 10, а также часть трубы 10С в верхней части 9 панели 7 испарительного охлаждения являются такими, как показано на данной фигуре. Указанные соединители позволяют третьей охлаждающей среде циркулировать через теплообменник 14. В результате на боковых стенках электролизера образуется корка 24 застывшего электролита.
Формула изобретения
1. Электролизер для получения алюминия, содержащий анод и электролизную ванну, содержащую наружный кожух из стали, углеродные блоки в днище электролизной ванны, образующие катод электролизера, и высокотемпературный, термостойкий и теплоизоляционный материал, расположенный на внутренней части боковых стенок стального кожуха, отличающийся тем, что по меньшей мере часть боковой стенки электролизной ванны состоит из одной или большего количества панелей испарительного охлаждения.
2. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что все боковые стенки электролизной ванны оборудованы панелями испарительного охлаждения.
3. Электролизер по п.1 или 2, отличающийся тем, что панели испарительного охлаждения предназначены для содержания охлаждающей среды, имеющей температуру кипения при атмосферном давлении между 850 и 950°С.
4. Электролизер по п.3, отличающийся тем, что панели испарительного охлаждения предназначены для содержания расплавленного натрия, расплавленного натрий-литиевого сплава или расплавленного цинка в качестве охлаждающей среды.
5. Электролизер по п.1 или 2, отличающийся тем, что каждая панель испарительного охлаждения имеет в своей верхней части средство циркуляции второй охлаждающей среды для конвективного охлаждения с конденсацией охлаждающей среды в панели испарительного охлаждения.
6. Электролизер по п.5, отличающийся тем, что средством циркуляции второй охлаждающей среды является первый замкнутый контур, причем указанный первый замкнутый контур проходит через верхнюю часть каждой панели испарительного охлаждения в электролизере.
7. Электролизер по п.6, отличающийся тем, что части первого замкнутого контура для второй охлаждающей среды, которые не находятся внутри верхней части панелей испарительного охлаждения, расположены в указанном термостойком и теплоизоляционном материале, расположенном между панелями испарительного охлаждения и стальным кожухом.
8. Электролизер по п.7, отличающийся тем, что первый замкнутый контур для циркуляции второй охлаждающей среды соединен с теплообменником для передачи тепла от второй охлаждающей среды к третьей охлаждающей среде, содержащейся во втором замкнутом контуре.
9. Электролизер по п.8, отличающийся тем, что теплообменник расположен в указанном термостойком и теплоизоляционном материале между панелями испарительного охлаждения и стальным кожухом.
10. Электролизер по п.5, отличающийся тем, что предусмотрены средства регулирования температуры второй охлаждающей среды перед тем, как она поступит в верхнюю часть каждой панели испарительного охлаждения.
11. Электролизер по п.10, отличающийся тем, что средствами регулирования температуры второй охлаждающей среды являются электронагревательные элементы.
12. Электролизер по п.10, отличающийся тем, что средствами регулирования температуры второй охлаждающей среды являются регулируемые клапана.
13. Электролизер по п.10, отличающийся тем, что средствами регулирования температуры второй охлаждающей среды являются обводные трубопроводы с регулируемыми клапанами.
14. Электролизер по п.8, отличающийся тем, что второй замкнутый контур для циркуляции третьей охлаждающей среды соединен с турбиной и генератором для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию.
15. Электролизная серия, содержащая множество электролизеров для получения алюминия, имеющих анод и электролизную ванну, содержащую наружный кожух из стали, углеродные блоки в днище электролизной ванны, образующие катод электролизера, и расположенный на внутренней части боковых стенок стального кожуха высокотемпературный, термостойкий и теплоизоляционный материал, отличающаяся тем, что каждый из электролизеров имеет одну или большее количество панелей испарительного охлаждения для содержания в них первой охлаждающей среды, расположенных на по меньшей мере части указанного термостойкого и теплоизоляционного материала, образующего боковую стенку, и обращенных внутрь электролизной ванны, первый замкнутый контур для циркуляции второй охлаждающей среды, часть которого проходит через верхнюю часть панели испарительного охлаждения для охлаждения первой охлаждающей среды, а другая часть которого расположена в указанном термостойком и теплоизоляционном материале, и теплообменник, расположенный в указанном термостойком и теплоизоляционном материале и соединенный с первым замкнутым контуром, при этом электролизная серия снабжена вторым замкнутым контуром для циркуляции третьей охлаждающей среды, соединенным с теплообменником каждого электролизера для передачи тепла от второй охлаждающей среды к третьей охлаждающей среде.
16. Электролизная серия по п.15, отличающаяся тем, что второй замкнутый контур для циркуляции третьей охлаждающей среды соединен с турбиной и генератором для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию.
17. Способ поддержания корки на боковой стенке электролизера для получения алюминия, включающий образование корки путем передачи тепла от расплавленного электролита внутри электролизера к боковой стенке, образованной высокотемпературным, термостойким и теплоизоляционным материалом, находящимся в контакте со стальным кожухом электролизера, отличающийся тем, что передачу тепла от расплавленного электролита внутри электролизера осуществляют посредством размещения внутри электролизера одной или большего количества панелей испарительного охлаждения с первой охлаждающей средой, одна сторона которых находится в контакте с расплавленным электролитом внутри электролизера, а другая сторона которых находится в контакте с указанным термостойким и теплоизоляционным материалом, причем температуру первой охлаждающей среды в панелях испарительного охлаждения поддерживают так, чтобы температура обращенной к расплавленному электролиту стороны панелей была немного ниже температуры самого расплавленного электролита для образования корки на обращенной к расплавленному электролиту стороне панелей.
18. Способ по п.17, отличающийся тем, что температура на обращенной к расплавленному электролиту стороне панелей испарительного охлаждения примерно на 2-50°С ниже температуры расплавленного электролита.
19. Способ по п.17, отличающийся тем, что температуру первой охлаждающей среды поддерживают с помощью второй охлаждающей среды, которая циркулирует через первый замкнутый контур, так что происходит теплообмен между первой охлаждающей средой и второй охлаждающей средой, а с помощью теплообменника происходит теплообмен между второй охлаждающей средой и третьей охлаждающей средой с охлаждением в результате второй охлаждающей среды.
20. Способ по п.19, отличающийся тем, что количество второй охлаждающей среды или температура второй охлаждающей среды, которая обменивается теплом с первой охлаждающей средой, являются эффективными для регулирования температуры первой охлаждающей среды.
21. Способ по п.19, отличающийся тем, что регенерируют тепло их третьей охлаждающей среды в виде электрической энергии.
22. Способ регенерации электричества из электролизера для получения алюминия и поддержания корки на боковой стенке электролизера, содержащей высокотемпературный, термостойкий и теплоизоляционный материал, включающий передачу тепла от расплавленного электролита внутри электролизера и отвод тепла с помощью газовой турбины и электрического генератора для генерирования электричества, отличающийся тем, что передачу тепла от расплавленного электролита внутри электролизера осуществляют посредством размещения внутри электролизера одной или большего количества панелей испарительного охлаждения с первой охлаждающей средой, одна сторона которых находится в контакте с расплавленным электролитом внутри электролизера, а другая сторона которых находится в контакте с указанным термостойким и теплоизоляционным материалом, контактирующим со стальным кожухом электролизера, причем температуру первой охлаждающей среды в панелях испарительного охлаждения поддерживают так, чтобы температура обращенной к расплавленному электролиту стороны панелей была немного ниже температуры самого расплавленного электролита для образования корки на обращенной к расплавленному электролиту стороне панелей, посредством второй охлаждающей среды, циркулирующей в первом замкнутом контуре для теплообмена между первой и второй охлаждающими средами, и производят теплообмен между указанной второй охлаждающей средой и третьей охлаждающей средой посредством теплообменника для охлаждения второй охлаждающей среды, а отвод тепла с помощью газовой турбины и электрического генератора для генерирования электричества осуществляют от третьей охлаждающей среды.
РИСУНКИ
