Электролизная установка получения алюминия, содержащая электрические проводники из сверхпроводящего материала
Изобретение относится к электролизной установке для получения алюминия. Установка содержит (i) серию электролизеров, предназначенных для получения алюминия, образующих один или несколько рядов (F), (ii) питающую подстанцию, предназначенную для питания серии электролизеров током электролиза (I1), имеющую два полюса, (iii) основную электрическую цепь, предназначенную для протекания по ней тока электролиза (I1), имеющую два конца, каждый из которых соединен с одним из полюсов питающей подстанции, (iv) по меньшей мере одну вторичную электрическую цепь, содержащую электрический проводник из сверхпроводящего материала, предназначенную для протекания по ней тока (I2) и проложенную вдоль ряда или рядов (F) электролизеров таким образом, чтобы электрический проводник из сверхпроводящего материала вторичной электрической цепи проходил по меньшей мере дважды вдоль ряда или рядов (F) электролизеров, делая несколько последовательных витков. Обеспечивается снижение расходов на возведение и эксплуатацию установки и уменьшение занимаемой установкой площади. 11 з.п. ф-лы, 11 ил.
Настоящее изобретение относится к электролизной установке получения алюминия, в частности, к системе электрических проводников электролизной установки получения алюминия.
Как известно, алюминий производят в промышленности из глинозема электролизом по способу Холла-Эру. Для этого предусмотрен электролизер, состоящий, в частности, из стального кожуха, внутренней огнеупорной футеровки и катода из углеродного материала, соединенного с проводниками, служащими для проведения тока электролиза. Электролизер содержит также электролитическую ванну, состоящую, в частности, из криолита, в котором растворен глинозем. Способ Холла-Эру состоит в частичном погружении углеродного блока, образующего анод, в эту электролитическую ванну, причем анод постепенно расходуется по мере прохождения реакции. На дне электролизера образуется слой жидкого алюминия.
Обычно заводы по производству алюминия содержат несколько сотен электролизеров. Через эти электролизеры протекает ток электролиза большой силы, составляющий порядка нескольких сотен тысяч ампер.
В электролизных установках получения алюминия имеется несколько требующих решения проблем: они состоят, в частности, в снижении расходов на потребляемую энергию, на материалы, использующиеся для изготовления электрических проводников, и в уменьшении габаритов, чтобы повысить производство на тех же площадях.
Другая проблема вытекает из наличия сильного магнитного поля, создаваемого током электролиза. Это магнитное поле нарушает работу электролизеров, снижая их кпд. В частности, вертикальная составляющая этого магнитного поля вызывает нестабильность слоя жидкого алюминия.
Известно, что уменьшить вертикальную составляющую магнитного поля можно, компенсируя магнитное поле в масштабе электролизера. Это решение реализуется благодаря особому расположению электрических проводников, проводящих ток электролиза от электролизера N к электролизеру N+1. Эти проводники, обычно алюминиевые шины, огибают края электролизера N. Фиг. 1 схематически показывает на виде сверху электролизер 100, в котором магнитное поле авто компенсировано благодаря расположению проводников 101, соединяющих этот электролизер 100 со следующим электролизером 102, находящимся за ним по току. В связи с этим отметим, что проводники 101 расположены эксцентрично относительно того электролизера 100, который они огибают. Пример электролизера с магнитной автокомпенсацией известен, в частности, из патентного документа FR 2469475.
Это решение накладывает много ограничений на проектирование ввиду больших занимаемых объемов из-за особого размещения проводников. Кроме того, значительная длина проводников, обычно из алюминия, для осуществления этого решения влечет повышенные расходы на материалы и создает значительные потери энергии из-за резистивных эффектов проводников.
Другое решение для уменьшения вертикальной составляющей магнитного поля состоит в применении вторичной электрической цепи, образованной из одного или нескольких металлических электрических проводников. Эта вторичная электрическая цепь обычно проложена вдоль оси или осей выравнивания электролизеров электролизной установки получения алюминия. По этой цепи течет ток, сила которого равна определенной процентной доле от силы тока электролиза, и поэтому она создает магнитное поле, компенсирующее эффекты магнитного поля, созданного током электролиза.
Известно, в частности, из патентного документа FR 2425482, об использовании вторичной цепи для снижения эффекта магнитного поля, создаваемого соседним рядом электролизеров, с помощью внутреннего и/или внешнего контура, проводящего ток силой порядка 5-20% от силы тока электролиза. Кроме того, из статьи Magne Runde "Application of High-Tc Superconductors in Aluminum Electrolysis Plants" в IEEE Transactions on applied superconductivity, vol. 5, №2, июнь 1995, известно, что применение сверхпроводящего материала для создания такой вторичной цепи экономически невыгодно.
Из патентного документа ЕР 0204647 известно также о применении вторичной цепи для снижения эффекта магнитного поля, создаваемого проводящими ток от одного электролизера к другому проводниками, с помощью контуров, проводящих ток силой примерно 20-70% от силы тока электролиза в том же направлении, что и ток электролиза.
Однако это решение является дорогостоящим, поскольку оно требует большого количества материалов, обычно из алюминия, для получения этой одной или нескольких вторичных электрических цепей. Оно также затратно по энергии, так как во вторичную электрическую цепь или цепи необходимо подавать ток. Наконец, оно требует установки питающих подстанций (или генераторов) большой мощности и больших размеров.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является устранение всех или части указанных выше недостатков и предложение решения тех проблем, с которыми сталкиваются на заводе по производству алюминия, предложив электролизную установку получения алюминия, расходы на возведение и эксплуатацию которой существенно снижены и которая занимает меньше места.
С этой целью объектом настоящего изобретения является электролизная установка получения алюминия, содержащая:
(i) серию электролизеров, предназначенных для получения алюминия, образующих один или несколько рядов,
(ii) питающую подстанцию, предназначенную для питания серии электролизеров током электролиза I1, причем питающая подстанция имеет два полюса,
(iii) основную электрическую цепь, предназначенную для протекания по ней тока электролиза I1, имеющую два конца, каждый из которых соединен с одним из полюсов питающей подстанции,
(iv) по меньшей мере одну вторичную электрическую цепь, содержащую электрический проводник из сверхпроводящего материала, предназначенную для протекания по ней тока (I2, I3), проложенную вдоль ряда или рядов электролизеров,
отличающаяся тем, что электрический проводник из сверхпроводящего материала вторичной электрической цепи проходит по меньшей мере дважды вдоль ряда или рядов электролизеров, делая несколько последовательных витков.
Использование по меньшей мере одного электрического проводника из сверхпроводящего материала позволяет, в частности, уменьшить суммарное энергопотребление электролизной установки получения алюминия, то есть снизить затраты на эксплуатацию электролизной установки получения алюминия. Кроме того, благодаря их меньшим размерам, электрические проводники из сверхпроводящего материала позволяют лучше использовать площади, имеющиеся в электролизной установке получения алюминия. Благодаря их меньшей массе, чем у эквивалентных электрических проводников из алюминия, меди или стали, электрические проводники из сверхпроводящего материала требуют меньших, а следовательно, менее дорогих опорных конструкций.
Из-за наличия потерь энергии на уровне мест сопряжения между электрическим проводником из сверхпроводящего материала и обычным электрическим проводником, электрический проводник из сверхпроводящего материала особенно выгоден, когда он имеет большую длину.
Использование вторичной цепи из сверхпроводящего материала позволяет уменьшить вредные эффекты магнитного поля, создаваемого током электролиза, на содержащиеся в электролизерах жидкости, получая экономию энергии благодаря почти нулевому сопротивлению электрических проводников из сверхпроводящего материала, поддерживаемых при температуре ниже их критической температуры.
Кроме того, контур, образованный вторичной электрической цепью, проходит несколько раз вдоль ряда или рядов электролизеров и делает несколько последовательных витков. Это позволяет уменьшить величину силы тока, текущего по электрическому проводнику из сверхпроводящего материала, во столько раз, сколько витков он делает, и следовательно, настолько же снизить расходы на питающую электрическую подстанцию, предназначенную для подачи тока во вторичную электрическую цепь, и расходы на места сопряжения между полюсами питающей подстанции и электрическим проводником из сверхпроводящего материала.
Предпочтительно, электрический проводник из сверхпроводящего материала вторичной электрической цепи содержит единственную криогенную оболочку, внутри которой проходят рядом друг с другом витки, выполненные упомянутым электрическим проводником из сверхпроводящего материала. Такой вариант осуществления позволяет уменьшить длину криогенной оболочки и снизить мощность системы охлаждения.
Согласно другой характеристике электролизной установки получения алюминия по изобретению, электрический проводник из сверхпроводящего материала вторичной электрической цепи является гибким и содержит по меньшей мере один изогнутый участок.
Так, вторичная электрическая цепь может содержать один или несколько непрямолинейных участков. Гибкость электрического проводника из сверхпроводящего материала позволяет обойти препятствия (то есть адаптироваться к пространственным ограничениям электролизной установки получения алюминия), а также локально улучшить компенсацию магнитного поля.
Предпочтительно, электрический проводник из сверхпроводящего материала вторичной электрической цепи помещен, частично, внутри камеры, образующей магнитный экран.
Эта характеристика выгодна тем, что позволяет предотвратить создание электрическим проводником из сверхпроводящего материала магнитного поля вблизи себя. В частности, это позволяет создать зоны прохода (проезда) механизмов или машин, работе которых в отсутствие магнитного экрана мешала бы интенсивность магнитного поля на уровне этих зон прохода. Это позволяет также не прибегать к дорогим механизмам, обладающим экранами, защищающими их от сильных магнитных полей.
Предпочтительно, образующая магнитный экран камера находится на по меньшей мере одном из концов ряда или рядов электролизеров.
Согласно другой характеристике электролизной установки получения алюминия по изобретению, вторичная электрическая цепь имеет два конца, причем каждый конец упомянутой вторичной электрической цепи соединен с электрическим полюсом питающей подстанции, отличной от питающей подстанции основной цепи.
Предпочтительно, электрический проводник из сверхпроводящего материала вторичной электрической цепи проходит вдоль ряда или рядов электролизеров заданное число раз, чтобы можно было использовать питающую подстанцию вторичной электрической цепи, выдающую ток силой от 5 кА до 40 кА.
Таким образом, электрический проводник из сверхпроводящего материала делает столько последовательных витков, сколько требуется, чтобы можно было использовать питающую подстанцию, которую можно легко найти в продаже и которая экономически выгодна.
Согласно другой характеристике электролизной установки получения алюминия по изобретению, по меньшей мере часть электрического проводника из сверхпроводящего материала вторичной электрической цепи расположена под по меньшей мере одним электролизером ряда или рядов.
Согласно еще одной характеристике электролизной установки получения алюминия по изобретению, по меньшей мере часть электрического проводника из сверхпроводящего материала вторичной электрической цепи проложена вдоль правой и/или левой сторон(ы) электролизеров ряда или рядов.
Согласно другой характеристике электролизной установки получения алюминия по изобретению, каждый электрический проводник из сверхпроводящего материала образован кабелем, содержащим центральную медную или алюминиевую жилу, по меньшей мере одно волокно сверхпроводящего материала и криогенную оболочку.
Согласно другой характеристике электролизной установки получения алюминия по изобретению, по криогенной оболочке течет охлаждающая среда.
Предпочтительно, охлаждающая среда является жидким азотом и/или гелием.
Изобретение станет более понятным из подробного описания, приводимого ниже в сочетании с приложенными чертежами, на которых:
- фиг. 1 является схематическим видом сверху электролизера согласно уровню техники,
- фиг. 2 является видом сбоку электролизера согласно уровню техники,
- фиг. 3, 4, 5, 6 и 7 схематически показывают на виде сверху электролизную установку получения алюминия, в которой по меньшей мере один электрический проводник из сверхпроводящего материала используется во вторичной электрической цепи,
- фиг. 8 и 9 схематически показывают на виде сверху электролизную установку получения алюминия, в которой электрический проводник из сверхпроводящего материала используется в основной электрической цепи,
- фиг. 10 является частичным схематическим видом сверху электролизной установки получения алюминия, содержащей вторичную электрическую цепь, снабженную изогнутым участком,
- фиг. 11 является видом в разрезе электролизера электролизной установки получения алюминия, показывающим конкретное расположение электрических проводников из сверхпроводящего материала двух вторичных электрических цепей и показывающим также расположение, которое нужно было бы использовать с обычными электрическими проводниками из алюминия или меди.
Фиг. 2 показывает типичный пример электролизера 2. Электролизер 2 содержит, в частности, металлический кожух 3, например, из стали. Металлический кожух 3 футерован изнутри огнеупорными и/или изоляционными материалами, например, кирпичами. Электролизер 2 содержит также катод 6 из углеродного материала и множество анодов 7, предназначенных расходоваться в ходе реакции электролиза в электролитической ванне 8, содержащей, в частности, криолит и глинозем. Обычно электролитическую ванну 8 и по меньшей мере частично аноды 7 покрывает слой глинозема и дробленого затвердевшего электролита. В ходе реакции электролиза образуется слой 10 жидкого алюминия. Катод 6 соединен по току с катодными выводами 9 в виде металлических стержней, проходящих сквозь кожух 3, при этом сами катодные выводы 9 соединены электрическими проводниками 11 от одного электролизера к другому. Электрические проводники 11 от электролизера к электролизеру позволяют провести ток электролиза I1 от одного электролизера 2 к другому. Ток электролиза I1 течет через проводящие элементы каждого электролизера 2: сначала через анод 7, затем через электролитическую ванну 8, слой 10 жидкого алюминия, катод 6 и, наконец, электрические проводники 11 от электролизера к электролизеру, соединенные с катодными выводами 9, что позволяет провести затем ток электролиза I1 к аноду 7 следующего электролизера 2.
Электролизеры 2 электролизной установки 1 получения алюминия обычно располагают и соединяют последовательно по току в серию. Серия может содержать один или несколько рядов F электролизеров 2. Когда серия содержит несколько рядов F, эти ряды обычно являются прямолинейными и параллельными друг другу, их число предпочтительно является четным.
Электролизная установка 1 получения алюминия, пример которой показан на фиг. 3, содержит основную электрическую цепь 15, по которой течет ток электролиза I1. Сила тока электролиза I1 может достигать значений порядка нескольких сотен тысяч ампер, например, порядка 300-600 кА.
Питающая подстанция 12 питает серию электролизеров 2 током электролиза I1. Каждый из концов серии электролизеров 2 соединен с электрическим полюсом питающей подстанции 12. Соединительные электрические проводники 13 соединяют электрические полюса питающей подстанции 12 с концами серии.
Ряды F серии соединены последовательно по току. Один или несколько соединительных электрических проводников 14 позволяют провести ток электролиза I1 от последнего электролизера 2 одного ряда F к первому электролизеру 2 следующего ряда F.
Основная электрическая цепь 15 состоит из соединительных электрических проводников 13, соединяющих концы серии электролизеров 2 с питающей подстанцией 12, соединительных электрических проводников 14, соединяющих ряды F электролизеров 2 друг с другом, электрических проводников 11 от электролизера к электролизеру, соединяющих два электролизера 2 одного и того же ряда F, и проводящих элементов каждого электролизера 2.
Как правило, в серию соединяют от 50 до 500 электролизеров 2, которые расположены в два ряда длиной более 1 км каждый.
Электролизная установка 1 получения алюминия, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, содержит также одну или несколько вторичных электрических цепей 16, 17, которые можно видеть, например, на фиг. 3. Эти вторичные электрические цепи 16, 17 обычно проходят вдоль рядов F электролизеров 2. Они позволяют компенсировать магнитное поле, создаваемое высокой силой тока электролиза I1, вызывающее нестабильность электролитической ванны 8 и, тем самым, влияющее на кпд электролизеров 2.
Через каждую вторичную электрическую цепь 16, 17 течет соответственно ток I2, I3, подаваемый питающей подстанцией 18. Питающая подстанция 18, снабжающая энергией каждую вторичную цепь 16, 17, отличается от питающей подстанции 12 основной цепи 15.
Электролизная установка 1 получения алюминия содержит по меньшей мере одну вторичную электрическую цепь 16, 17, снабженную электрическим проводником из сверхпроводящего материала.
Эти сверхпроводящие материалы могут содержать, например, BiSrCaCuO, YaBaCuO, MgB2 - материалы, известные из патентных заявок WO 2008011184, US 20090247412, или же другие материалы, известные своими сверхпроводящими свойствами.
Сверхпроводящие материалы используются для переноса тока с малыми потерями или вообще без потерь, вызываемых выделением тепла в результате эффекта Джоуля, так как их удельное сопротивление является нулевым, если они поддерживаются при температуре ниже их критической температуры. Благодаря отсутствию потерь энергии можно подавать максимум энергии, получаемой электролизной установкой получения алюминия (например, 600 кА и 2 кВ), к основной электрической цепи 15, которая производит алюминий, и, в частности, увеличить число электролизеров 2.
Например, сверхпроводящий кабель, используемый для осуществления настоящего изобретения, содержит центральную медную или алюминиевую жилу, полосы или волокна из сверхпроводящего материала и криогенную оболочку. Криогенная оболочка может быть образована коробом, содержащим охлаждающую среду, например, жидкий азот. Охлаждающая среда может поддерживать сверхпроводящие материалы при температуре ниже их критической температуры, например, ниже 100K (Кельвин), или составляющей от 4K до 80K.
Из-за того, что в местах сопряжения электрического проводника из сверхпроводящего материала с другими электрическими проводниками возникают потери энергии, электрические проводники из сверхпроводящего материала особенно выгодны, если они имеют определенную длину, более конкретно, когда их длина больше или равна 10 м.
Фиг. 3, 4 и 5 в качестве неограничивающих примеров показывают различные возможные варианты осуществления электролизной установки 1 получения алюминия. Электрические проводники из сверхпроводящего материала показаны на разных фигурах пунктирными линиями.
Пример с фиг. 3 показывает электролизную установку 1 получения алюминия, содержащую две вторичные электрические цепи 16 и 17, по которым течет ток силой I2 и I3 соответственно и каждая из которых запитывается от питающей подстанции 18. Токи I2 и I3 текут по вторичным электрическим цепям 16 и 17 в том же направлении, что и ток электролиза I1. Вторичные электрические цепи 16 и 17 осуществляют в случае данной фигуры компенсацию магнитного поля, создаваемого электрическими проводниками 11 от электролизера к электролизеру. Сила каждого из электрических токов I2, I3 является значительной, например, она составляет от 20% до 100% от силы тока электролиза I1, предпочтительно от 40% до 70%.
Компенсация магнитного поля соседнего ряда F может быть достигнута с примером, показанным на фигуре 4. Электролизная установка 1 получения алюминия с фигуры 4 содержит одну вторичную электрическую цепь 17, образующую внутренний контур, по которому течет ток I3.
Компенсировать магнитное поле соседнего ряда F можно также, предусмотрев единственную вторичную цепь 16, образующую внешний контур, по которой течет ток I2, идущий в направлении, противоположном направлению тока электролиза I1, как это показано на фиг. 5.
Использование электрических проводников из сверхпроводящего материала для образования вторичной цепи или вторичных цепей 16, 17 выгодно из-за длины этих вторичных электрических цепей 16, 17, составляющей порядка двух километров. Использование электрических проводников из сверхпроводящего материала требует меньшего напряжения по сравнению с напряжением, необходимым для алюминиевых или медных электрических проводников. Так, когда вторичная электрическая цепь или цепи 16, 17 содержат электрические проводники из сверхпроводящего материала, напряжение можно снизить с 30 В до 1 В. Это означает снижение расхода энергии примерно на 75-99% по сравнению с алюминиевыми электрическими проводниками обычного типа. Кроме того, как следствие снижаются расходы на питающую подстанцию 18, запитывающую вторичную электрическую цепь или цепи. Электролизная установка 1 получения алюминия содержит вторичную электрическую цепь 16, 17, снабженную электрическим проводником из сверхпроводящего материала и предпочтительно проходящую по меньшей мере дважды практически в одном и том же месте вдоль одного и того же ряда F электролизеров 2, как это можно видеть, в частности, на фиг. 6 и 7.
То, что контур, образованный вторичной электрической цепью 16, 17, содержит несколько последовательных витков, позволяет при одинаковом магнитном эффекте уменьшить силу тока I2, I3, текущего по вторичной электрической цепи 16, 17, во столько раз, каково число реализованных витков. Уменьшение величины этой силы тока позволяет, кроме того, снизить потери энергии из-за эффекта Джоуля в местах сопряжения и снизить расходы на места сопряжения между электрическими проводниками из сверхпроводящего материала и электрическими проводниками на входе или выходе вторичной электрической цепи 16, 17. Уменьшение полной силы тока, текущего по каждой вторичной электрической цепи 16, 17 с электрическими проводниками из сверхпроводящего материала, позволяет уменьшить размер питающей подстанции 18, с которой они связаны. Например, для контура, который должен выдавать ток 200 кА, двадцать витков электрического проводника из сверхпроводящего материала позволят использовать питающую подстанцию 18, выдающую 10 кА. Аналогично, сорок витков электрического проводника из сверхпроводящего материала позволили бы использовать питающую подстанцию, выдающую ток силой, равной 5 кА. Таким образом, это позволяет использовать оборудование, имеющееся сегодня в продаже и, следовательно, недорогое.
Кроме того, использование одного или несколько последовательных витков для образования вторичных электрических цепей 16, 17 из сверхпроводящего материала выгодно тем, что уменьшаются магнитные поля на пути между питающей подстанцией 18 и первым и последним электролизерами 2, так как сила тока на этом пути низкая (один проход электрического проводника).
Малые объемы, занимаемые электрическими проводниками из сверхпроводящего материала по сравнению с электрическими проводниками из алюминия или меди (сечение до 150 раз меньшее, чем сечение медного электрического проводника при равной силе тока, и еще меньшее по сравнению с алюминиевым электрическим проводником) облегчает осуществление нескольких последовательных витков в контурах, образованных вторичными электрическими цепями 16, 17.
Электролизная установка 1 получения алюминия согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 6, содержит одну вторичную электрическую цепь 16, электрические проводники которой дважды проходят вдоль рядов F серии. В примере осуществления с фиг. 7 электролизная установка 1 получения алюминия содержит вторичную электрическую цепь 16, проходящую одновременно вдоль левой и правой сторон электролизеров 2 серии (при этом левая сторона и правая сторона определены относительно наблюдателя, находящегося на уровне основной электрической цепи 15 и направляющего свой взгляд в направлении общего течения тока электролиза I1). Кроме того, электрические проводники (из сверхпроводящего материала) вторичной электрической цепи 16 электролизной установки 1 получения алюминия, показанной на фиг. 7, делают несколько последовательных витков, из которых два витка идут вдоль левых сторон электролизеров 2 серии, а три витка идут вдоль правых сторон. Число витков может доходить соответственно до двадцати и тридцати. Разница между числом витков, реализуемых с каждой стороны, определяется в зависимости от расстояния между рядами, чтобы получить оптимальное уравновешивание магнитного поля.
Благодаря малой разности потенциалов между двумя витками электрического проводника из сверхпроводящего материала легко электроизолировать разные витки электрического проводника. Достаточно поместить между каждым витком электрического проводника из сверхпроводящего материала электрический изолятор малой толщины.
По этой причине и благодаря малому объему, занимаемому электрическим проводником из сверхпроводящего материала, можно поместить электрический проводник из сверхпроводящего материала одной цепи внутрь единственной криогенной оболочки, независимо от числа витков, реализованных этим проводником. Криогенная оболочка может содержать термоизолированный короб, в котором циркулирует охлаждающая среда. Таким образом, в неком данном месте криогенная оболочка может содержать расположенные рядом несколько проходов одного и того же электрического проводника из сверхпроводящего материала.
С электрическими проводниками из алюминия или меди, делающими несколько витков вокруг серии электролизеров, это было бы намного сложнее. Действительно, алюминиевые или медные электрические проводники занимают больше места, чем электрические проводники из сверхпроводящего материала. Кроме того, из-за существенного падения напряжения, которое имелось бы между каждым витком, потребовалось бы добавлять дорогостоящие изоляторы, которые нужно монтировать и обслуживать. Поскольку обычные электрические проводники из алюминия или меди нагреваются при работе, установка изоляции между разными витками проводников вызвала бы проблемы с теплоотводом.
Электрические проводники из сверхпроводящего материала могут также иметь преимущество по сравнению с алюминиевыми или медными электрическими проводниками в том, что они гибкие. Таким образом, электролизная установка 1 получения алюминия может содержать одну или несколько вторичных электрических цепей 16, 17, содержащих электрический проводник из сверхпроводящего материала, имеющий по меньшей мере один изогнутый участок. Это позволяет обойти препятствия 19, имеющиеся внутри электролизной установки 1 получения алюминия, например, столб, как видно на фиг. 10.
Это позволяет также локально регулировать компенсацию магнитного поля в электролизной установке 1 получения алюминия, локально подбирая положение электрического проводника из сверхпроводящего материала вторичной электрической цепи или цепей 16, 17, как это позволяет изогнутая часть 16а вторичной электрической цепи 16 в электролизной установке 1 получения алюминия, показанной на фиг. 10. Эта гибкость позволяет смещать электрический проводник из сверхпроводящего материала относительно его начального положения, чтобы скорректировать магнитное поле, подстраиваясь к изменениям в электролизной установке 1 получения алюминия (например, повышению силы тока электролиза I1, или для использования более свежих результатов расчетов по коррекции магнитного поля, что позволяют сделать новые мощности компьютеров и общие знания по данной тематике).
Следует отметить, что электрические проводники из сверхпроводящего материала одной или нескольких вторичных электрических цепей 16, 17 можно разместить под электролизерами 2. В частности, их можно зарыть в землю. Такое размещение становится возможным, с одной стороны, благодаря малому объему, занимаемому электрическими проводниками из сверхпроводящего материала, а, с другой стороны, благодаря тому, что они не нагреваются. Такое размещение было бы трудно осуществимым с электрическими проводниками из алюминия или меди, так как их размер намного больше при равной силе тока и так как что они нагреваются и, следовательно, требуют охлаждения (обычно при контакте с воздухом и/или со' специальными средствами охлаждения). Фиг. 11 показывает, при том же расположении электролизной установки 1 получения алюминия, возможные места вторичных электрических цепей 16, 17 с электрическими проводниками из сверхпроводящего материала и вторичных электрических цепей 16', 17', использующих электрические проводники из алюминия. Вторичные электрические цепи 16', 17' находятся с обеих сторон электролизера 2. Как показано на фигуре 11, вторичные электрические цепи 16', 17' мешают доступу к электролизерам 2, например, для работ по обслуживанию. Однако, их нельзя поместить под электролизеры 2, как вторичные электрические цепи 16, 17 с электрическими проводниками из сверхпроводящего материала, так как они занимают намного больше места и требуют охлаждения. Напротив, вторичные электрические цепи 16, 17, использующие электрические проводники из сверхпроводящего материала, можно разместить под электролизерами 2. Таким образом, доступ к электролизерам 2 не ограничивается.
Согласно одному частному варианту осуществления, пример которого показан на фиг. 6, электрические проводники из сверхпроводящего материала могут содержаться частично внутри камеры 20, образующей магнитный экран. Эта камера 20 может представлять собой металлическую трубу, например, из стали. Она позволяет существенно уменьшить магнитное поле снаружи от этого магнитного экрана. Таким образом, это позволяет создать в тех местах, куда была помещена камера 20, зоны прохода (проезда), в частности, транспортных средств, работе которых мешало бы магнитное поле, исходящее от электрических проводников из сверхпроводящего материала. В результате это позволит уменьшить стоимость этих транспортных средств (которые иначе должны снабжаться защитой). Камеру 20 предпочтительно помещать вокруг электрических проводников из сверхпроводящего материала, расположенных в конце ряда F, как это проиллюстрировано на фиг. 6.
Камеру 20, образующую магнитный экран, также можно выполнить из сверхпроводящего материала, поддерживаемого ниже его критической температуры. Предпочтительно, эта образующая магнитный экран камера из сверхпроводящего материала может располагаться максимально близко к электрическим проводникам из сверхпроводящего материала внутри криогенной оболочки. Масса сверхпроводящего материала камеры сведена к минимуму, и сверхпроводящий материал камеры поддерживается ниже его критической температуры без необходимости иметь другую, специальную систему охлаждения.
Использование защитной камеры 20 невозможно с обычными электрическими проводниками уровня техники из алюминия или даже меди. В самом деле, алюминиевые электрические проводники имеют сечение больших размеров, порядка 1 метр на 1 метр, против диаметра 25 см для электрического проводника из сверхпроводящего материала. Самое же главное, что алюминиевые электрические проводники при работе нагреваются. Использование такой камеры 20, образующей магнитный экран, не позволило бы надлежащим образом отводить выделяемое тепло.
Следует также отметить, что масса одного метра электрических проводников из сверхпроводящего материала может быть в двадцать раз ниже массы метра алюминиевого электрического проводника при эквивалентной силе тока. Таким образом, снижаются расходы на опоры для электрических проводников из сверхпроводящего материала и облегчается их установка.
Основная электрическая цепь 15 электролизной установки 1 получения алюминия также может содержать один или несколько электрических проводников из сверхпроводящего материала. Так, соединительные электрические проводники 14, соединяющие друг с другом по току ряды F серии, могут быть выполнены из сверхпроводящего материала, как это показано на фиг. 8. Соединительные электрические проводники 13, соединяющие концы серии электролизеров 2 с полюсами питающей подстанции 12 основной цепи 15, также могут быть из сверхпроводящего материала, как это показано на фиг. 9.
На обычном алюминиевом заводе соединительные электрические проводники 14, соединяющие два ряда F, имеют длину от 30 м до 150 м, в зависимости от того, находятся ли два ряда, которые они соединяют, в одном и том же здании или в двух зданиях, разделенных по причине магнитного взаимодействия между этими двумя рядами F. Соединительные электрические проводники 13, соединяющие концы серии с полюсами питающей подстанции 12, обычно имеют в длину от 20 м до 1 км в зависимости от места нахождения этой питающей подстанции 12. Легко понять, что вследствие таких длин использование электрических проводников из сверхпроводящего материала в этих местах может позволить сэкономить энергию. Другие преимущества, вытекающие из использования вышеописанных электрических проводников из сверхпроводящих материалов, такие как малый занимаемый ими объем, их гибкость или возможность поместить их в образующую магнитный экран камеру, также свидетельствуют о потенциальной пользе электрических проводников из сверхпроводящего материала в основной цепи 15 электролизной установки 1 получения алюминия.
Однако из-за меньшей длины электрических проводников 11, идущих от одного электролизера к другому, и из-за потерь энергии в местах сопряжения, использование электрического проводника из сверхпроводящего материала для проведения тока электролизера от одного электролизера 2 к другому экономически невыгодно.
Таким образом, применение электрических проводников из сверхпроводящего материала в электролизной установке 1 получения алюминия может оказаться выгодным для проводников достаточно большой длины. Использование электрических проводников из сверхпроводящего материала особенно выгодно для вторичных электрических цепей 16, 17, предназначенных для снижения эффекта магнитного поля от электролизера к электролизеру посредством контуров типа, описанного в патентном документе ЕР 0204647; в случае, когда сила тока, текущего в основной электрической цепи 15, является особенно высокой, выше 350 кА, и когда суммарная сила токов, текущих во вторичной электрической цепи в том же направлении, что и ток, текущий в основной цепи, составляет от 20% до 100% от тока основной цепи, предпочтительно от 40% до 70%.
Само собой разумеется, что описанные варианты осуществления не исключают друг друга и могут комбинироваться для усиления благодаря синергизму полученного технического эффекта. Так, можно предусмотреть, чтобы основная электрическая цепь 15 содержала одновременно соединяющие один ряд с другим электрические проводники 14 из сверхпроводящего материала и соединительные электрические проводники 13 также из сверхпроводящего материала, соединяющие концы серии с полюсами питающей подстанции 12, и одну или несколько вторичных электрических цепей 16, 17, также содержащих электрические проводники из сверхпроводящего материала, делающие несколько последовательных витков. Можно также предусмотреть единственную вторичную электрическую цепь 16, содержащую электрические проводники из сверхпроводящего материала, с электрическими проводниками, делающими несколько последовательных витков, между рядами F электролизеров 2 или снаружи них.
Наконец, изобретение никоим образом не ограничено описанными выше вариантами осуществления, эти варианты осуществления даны лишь в качестве примеров. Остаются возможными модификации, в частности, с точки зрения конструкции различных элементов или с точки зрения замены техническими эквивалентами, не выходящие за объем охраны изобретения.
В частности, изобретение может быть распространено на электролизные установки получения алюминия, где при электролизе используются инертные аноды.
Его можно также обобщить на любой другой тип контуров, например, на тип контуров, описанных в патентных документах СА 2585218, FR 2868436 и ЕР 1812626.
1. Электролизная установка (1) получения алюминия, содержащая:
(i) серию электролизеров (2), предназначенных для получения алюминия, образующих один или несколько рядов (F),
(ii) питающую подстанцию (12), предназначенную для питания серии электролизеров (2) током электролиза (I1), причем питающая подстанция (12) имеет два полюса,
(iii) основную электрическую цепь (15), предназначенную для протекания по ней тока электролиза (I1), имеющую два конца, каждый из которых соединен с одним из полюсов питающей подстанции (12),
(iv) по меньшей мере одну вторичную электрическую цепь (16-17), содержащую электрический проводник из сверхпроводящего материала, предназначенную для протекания по ней тока (I2, I3), проходящую вдоль ряда или рядов (F) электролизеров (2),
отличающаяся тем, что электрический проводник из сверхпроводящего материала вторичной электрической цепи (16, 17) проходит по меньшей мере дважды вдоль ряда или рядов (F) электролизеров (2), делая несколько последовательных витков.
2. Электролизная установка (1) получения алюминия по п. 1, отличающаяся тем, что электрический проводник из сверхпроводящего материала вторичной электрической цепи (16, 17) содержит единственную криогенную оболочку, внутри которой проходят рядом друг с другом витки, выполненные упомянутым электрическим проводником из сверхпроводящего материала.
3. Электролизная установка (1) получения алюминия по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что электрический проводник из сверхпроводящего материала вторичной электрической цепи (16, 17) является гибким и имеет по меньшей мере один изогнутый участок.
4. Электролизная установка (1) получения алюминия по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что вторичная электрическая цепь (16, 17) имеет два конца, причем каждый конец упомянутой вторичной электрической цепи (16, 17) соединен с электрическим полюсом питающей подстанции (18), отличной от питающей подстанции (12) основной электрической цепи (15).
5. Электролизная установка (1) получения алюминия по п. 4, отличающаяся тем, что электрический проводник из сверхпроводящего материала вторичной электрической цепи (16, 17) проходит заданное число раз вдоль ряда или рядов электролизеров (2), чтобы обеспечивать возможность использования питающей подстанции (18) вторичной электрической цепи (16, 17), выдающей ток силой от 5 кА до 40 кА.
6. Электролизная установка (1) получения алюминия по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что по меньшей мере часть электрического проводника из сверхпроводящего материала вторичной электрической цепи (16, 17) расположена под по меньшей мере одним электролизером (2) ряда или рядов (F).
7. Электролизная установка (1) получения алюминия по любому из пп. 1-6, отличающаяся тем, что по меньшей мере часть электрического проводника из сверхпроводящего материала вторичной электрической цепи (16, 17) проходит вдоль правой стороны и/или левой стороны электролизеров (2) ряда или рядов (F).
8. Электролизная установка (1) получения алюминия по любому из пп. 1-7, отличающаяся тем, что каждый электрический проводник из сверхпроводящего материала образован кабелем, содержащим центральную медную или алюминиевую жилу, по меньшей мере одно волокно из сверхпроводящего материала и криогенную оболочку.
9. Электролизная установка (1) получения алюминия по п. 8, отличающаяся тем, что через криогенную оболочку течет охлаждающая среда.
10. Электролизная установка (1) получения алюминия по п. 9, отличающаяся тем, что охлаждающая среда является жидким азотом и/или гелием.
11. Электролизная установка (1) получения алюминия по любому из пп. 1-10, отличающаяся тем, что электрический проводник из сверхпроводящего материала расположен частично внутри камеры (20), образующей магнитный экран.
12. Электролизная установка (1) получения алюминия по п. 11, отличающаяся тем, что образующая магнитный экран камера (20) находится на по меньшей мере одном из концов ряда или рядов (F) электролизеров (2).
