Последовательное соединение электролизеров и способ работы соединенных таким образом электролизеров

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ И СПОСОБ РАБОТЫ СОЕДИНЕННЫХ ТАКИМ ОБРАЗОМ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ Способ и усовершенствования, относящиеся к электролизеру, где указанный электролизер содержит, по существу, горизонтальный катод из материала с электронной проводимостью,имеющий далее токовые выводы, например горизонтальные стержни коллектора, встроенные в катод. В электролизере можно создать улучшенное распределение электрического тока, когда указанная система шин передает ток по меньшей мере из одной промежуточной точки указанного катода. Настоящее изобретение можно применить к электролизерам, расположенным как торец к торцу, так и бок о бок.(71)(73) Заявитель и патентовладелец: НОРСК ХЮДРО АСА (NO) 016404 Настоящее изобретение относится к усовершенствованию в области соединенных последовательно электролизеров и к способу работы с такими электролизерами. В частности, настоящее изобретение относится к системе шин и, следовательно, к распределению электрического тока в электролизерах типа Холла-Эру (Hall-Heroult) для производства алюминия. Область техники, к которой относится изобретение Для лучшего понимания существа изобретения сначала следует вспомнить, что промышленное производство алюминия осуществляется посредством электролиза в соединенных электрически последовательно электролизерах раствора оксида алюминия в расплавленном криолите, нагретом обычно до температуры между 940 и 980 С за счет тепла, выделяющегося при протекании электрического тока через электролизер. Каждый электролизер образован изолированным стальным контейнером в форме параллелепипеда с установленным в нем катодом, содержащим предварительно спеченные угольные блоки, в которых герметично заключены несколько стальных стержней, известных как стержни коллектора тока катода,передающие ток из электролизера наружу обычно приблизительно по 50% от каждой из длинных сторон электролизера. Выходы стержней коллектора тока катода соединены с системой шин, служащей для передачи тока от рассматриваемых катодов к анодам следующего электролизера. Эта анодная система, выполненная из угля, стали и алюминия, закреплена на так называемой анодной раме, имеет регулируемые по высоте анодные стержни и электрически соединена с указанными катодными стержнями предшествующего электролизера. Указанный электролит, представляющий собой раствор оксида алюминия в расплавленной криолитной смеси при температуре 940-980 С, находится между анодной системой и катодом. Производимый алюминий осаждается на поверхность катода. На дне катодного тигля постоянно сохраняется слой жидкого алюминия. В имеющем прямоугольную форму тигле анодная рама, на которой закреплены аноды,расположена в основном параллельно длинным сторонам тигля, тогда как катодные стержни параллельны коротким сторонам, известным как головные части электролизеров. Электрический ток, протекающий в системе анода и катода, создает основное магнитное поле в электролизере. Все прочие токи в электролизере вносят возмущения в это основное поле. Электролизеры размещены рядами и могут быть расположены бок о бок один с другим поперек направления ряда, так что их короткие стороны параллельны оси серии электролизеров. В альтернативном варианте электролизеры могут быть расположены в продольной ориентации торец к торцу, так что их длинные стороны параллельны оси серии электролизеров. Обычно одна серия электролизеров представлена двумя рядами. Ток в этих двух рядах течет в противоположных направлениях. Электролизеры соединены электрически последовательно, а концы последовательности соединены с положительным и отрицательным выходами электрической выпрямительной и управляющей подстанции. Электрический ток, текущий через различные электропроводные элементы: анодную систему, электролит, жидкий металл, катодную систему и соответствующие соединительные проводники, создает сильные магнитные поля. Эти поля вместе с электрическим током в жидких электролите и металле создают основу для магнитогидродинамического (МГД (MHD эффекта в электролите и в жидком металле, находящихся в тигле. Так называемые силы Лапласа, вызывающие поток электролита и металла, оказывают также нежелательное воздействие на стационарную работу (устойчивость) электролизера. Кроме того, конструкция электролизера и конфигурация его шин также влияют на распределение электрического тока через электролизер. Здесь следует понимать, что настоящее изобретение может быть реализовано как в варианте с расположением электролизеров бок о бок, так и в варианте с расположением электролизеров торец к торцу. Масса и соответственно стоимость системы шин играют важную роль для представления конкурентоспособной с точки зрения цен технологии плавильных устройств. Обычно распределение тока в анодной системе зависит главным образом от устройства и расположения анодов в электролизере, а также конструкции посадочных гнезд в устройстве подвеса анодов и их сопряжения с индивидуальными анодами. Что касается катодной системы, ее обычно проектируют таким образом, что стержни коллектора утоплены в индивидуальные катодные блоки горизонтально. Такое технологическое решение показалоочень высокую надежность с точки зрения утечки расплава через катодную систему. Кроме того, стержни коллектора будут защищены окружающим материалом катода (материалом на основе углерода), обладающим высокой устойчивостью против воздействия высоких температур и коррозии. Обычно шины собирают ток вне катодной оболочки. Одним из недостатков такой известной конструкции является то,что ток на периферии катодной системы оказывается более интенсивным, чем где-либо еще. Более того,технология, основанная на равномерной установке стержней коллектора в пазах, выполненных в нижней поверхности катодных блоков, приведет в результате к тому, что распределение тока вдоль стержня коллектора внутри катодного блока по направлению к другому концу этого блока будет убывать в достаточной степени пропорционально расстоянию от коллектора шины. Поэтому ток следует предпочтительно распределить заданным образом и в более подходящих областях катодной системы для получения равномерного распределения тока. Кроме того, ток, вытекающий из катодной системы на так называемой передней по ходу стороне катода, нужно направить к так называемой задней по ходу стороне катода и-1 016404 далее в анодную систему соседнего электролизера в последовательности. Такой способ передачи тока (к передней по ходу стороне в частях катода и затем к задней по ходу стороне в системе шин) создает систему, в которой какие-то доли тока электролизера проходят более протяженный путь, чем это строго необходимо. Постановка задачи Проектирование распределения тока катода и соответствующей системы шин в электролизере для производства алюминия считается одной из наиболее сложных и требующих высокой квалификации задач при разработке конкурентоспособной технологии электролизного производства алюминия. Проектировщик должен иметь несколько степеней свободы при разработке оптимальной катодной системы с использованием квалификации и опыта для выбора конфигурации (топологии), которая может позволить добиться оптимального распределения тока. Понятно, что если бы можно было отводить ток из катодной системы в выбранных заранее с использованием расчетов и моделирования точках или областях, то стало бы возможным улучшить распределение тока в катодной системе. Однако для этого требуется, чтобы катодная система была проницаема,по меньшей мере, частично снизу вверх и предпочтительно соединена с горизонтальными стержнями коллектора тока посредством токонесущих выводов или штырей, как это описано в неопубликованной заявке 20064165 на выдачу патента Норвегии, оформленной заявителями настоящей заявки. Уровень техники Патент США 3470083 от октября 1964 описывает нижнюю часть катода с вертикально вставленными токонесущими проводниками для электролизера. В вертикальные каналы катода вставлены цилиндрические ниппели и затем залиты материалом. Каждый индивидуальный штырь соединен с токонесущим элементом, расположенным вне катода. Эти токонесущие элементы далее выходят к боковым сторонам электролизера и соединяются с системой шин, окружающей серию электролизеров. Решение, представленное в указанном патенте, направлено на разрешение проблем, связанных с известными стержнями коллектора, и в том числе с проблемами, обусловленными различием теплового расширения угольного материала и железных штанг (стержней коллектора), вызывающим значительные механические напряжения, ведущие к образованию поперечных трещин в угольных блоках. Однако это решение не предлагает усовершенствования в системе шин, как это делает настоящее изобретение. Согласно настоящему изобретению распределение тока в катодной системе и соответственно компоновку системы шин можно улучшить путем создания по меньшей мере одного выхода для тока, расположенного между концами катода. В настоящем изобретении применены вертикальные токовые выводы. Далее, токовые выводы (выходы тока) можно предпочтительно электрически соединить с горизонтальными стержнями коллектора, которые могут проходить частично или полностью сквозь катодный блок. В последнем случае самый дальний конец(ы) можно соединить с системой шин для электролизера. Предпочтительное распределение катодного тока будет зависеть от характеристик системы шин. Варианты применения настоящего изобретения в уже существующих системах шин с одной стороны могут совершенно отличаться от вариантов применения изобретения во вновь проектируемых системах шин с другой стороны. Следовательно, предпочтительная величина тока, отводимого через вертикальные выходы, может составлять 20-100%, причем 100% представляет конструкцию, имеющую только вертикальные выходы. Число токовых выводов может быть относительно небольшим, например, в варианте, применяющем обычно используемое число горизонтальных стержней коллектора. Согласно настоящему изобретению можно улучшить магнитогидродинамические эффекты (MHD) в электролизере и становится возможным упростить конструкцию шины в таком электролизере путем снижения массы этой шины. Вследствие этого можно также снизить капиталовложения. Согласно настоящему изобретению, как указано в прилагаемой формуле изобретения, можно построить оптимизированную систему шин, устраняющую основные недостатки известных конструкций. Кроме того, прилагаемая формула предлагает способ работы с электролизером, имеющим усовершенствованную систему шин. В последующем настоящее изобретение будет описано с использованием чертежей и примеров, на которых фиг. 1 показывает в перспективе схематичную компоновку системы шин согласно настоящему изобретению, электролизеры расположены бок о бок; фиг. 2 - вид сверху компоновки, изображенной на фиг. 1; фиг. 3 - второй вариант настоящего изобретения показывает в перспективе схематичную компоновку системы шин согласно настоящему изобретению, электролизеры расположены торец к торцу; фиг. 4 - вид сверху компоновки, изображенной на фиг. 3. Одной из целей описываемой конструкции является достижение низкого падения напряжения на катоде и равномерного или плоского распределения тока на поверхности катодного блока при повышенной магнитогидродинамической устойчивости. Этого можно добиться посредством упрощенной системы шин (меньше масса и вследствие этого меньше стоимость), где конструкция индивидуальных элементов шин оптимизирована.-2 016404 На фиг. 1 и 2 показан первый вариант системы 1 шин, которая передает ток от катодной системы одного первого электролизера в анодную систему соседнего с ним электролизера. Эти электролизеры расположены бок о бок. Элементы шин анодной системы обозначены как анодные балки 2, 3, электрически соединяющие анодную структуру в электролизере. Индивидуальные аноды обозначены А, А'. Кроме того, показаны анодные стояки, один из которых обозначен поз. 6. В катодной системе первого электролизера показаны некоторые основные элементы системы шин. Прежде всего, на задней по ходу стороне катодной системы расположены соединители 7 для передачи тока от выходов стержней коллектора катода (не показаны) к расположенной дальше по ходу коллекторной шине 10, которая, в свою очередь, соединена с указанными выше стояками. Для передачи тока от промежуточной области катода выполнены несколько соединителей 8, которые, в свою очередь, соединены с промежуточной шиной 11 коллектора. Такой соединитель 8 с другой стороны электрически соединен с соответствующим токовым выходом катода (не показано). На передней по ходу стороне катодной системы находится шина 12 коллектора с несколькими соединителями 9 для передачи тока от концов стержней коллектора катода. Кроме того, здесь показаны элементы шин, например 13, 15, 16, передающие ток от катодной системы к задней по ходу стороне катода и далее к соответствующим стоякам 6. В частности, элемент 13 шины может быть расположен вне площади, занимаемой электролизером,для компенсации нежелательных возмущений магнитного поля. Поскольку в рассматриваемом варианте применена симметричная компоновка шин, аналогичный элемент шины расположен на противоположном конце электролизера. Элемент 15 шины и соответствующие элементы 16 и т.д., расположенные за ним по направлению к противоположной стороне электролизера, передают ток от промежуточной шины 11 коллектора, установленной в катодной системе, и далее к шине 10 коллектора. Аналогично, один или несколько элементов 17 шины могут быть установлены под оболочкой катода для оптимизации компенсации магнитного поля. Такие элементы предпочтительно размещают кососимметричным образом (не показано), чтобы оптимизировать эффект компенсации магнитного поля. В указанной выше конфигурации система шин может передавать ток и от выходов, расположенных на передней по ходу и задней по ходу сторонах катодной системы, и от одной или нескольких промежуточных точек предпочтительным образом с точки зрения достижения равномерного распределения тока в катодной структуре электролизера, а также для уменьшения массы системы шин в целом. На фиг. 3, показывающей второй вариант настоящего изобретения, изображена в перспективе схематичная компоновка системы шин согласно настоящему изобретению для расположения электролизеров торец к торцу. Фиг. 4 показывает вид сверху компоновки, изображенной на фиг. 3. На этих чертежах система 100 шин передает ток от катодной системы одного первого электролизера в анодную систему соседнего с ним электролизера. Элементы шин анодной системы обозначены как анодные балки 202, 203, электрически соединяющие анодную структуру в электролизере. Индивидуальные аноды обозначены А, А'. Кроме того, показаны анодные стояки 206, 206', 206", 206'". В катодной системе первого электролизера показаны некоторые основные элементы системы шин. Вдоль каждой длинной стороны катодной структуры расположены шины 210, 212 коллектора, имеющие электрические соединители 207, 209, электрически соединяемые со стержнями коллектора катода (не показаны). Эти шины 210, 212 коллектора с другой стороны соединены с анодными стояками 206, 206' и через элементы 218, 219 шин соединены с анодными стояками 206", 206'" соседнего электролизера. Для передачи тока от промежуточной области катода выполнены один или несколько соединителей 208, которые в свою очередь соединены с промежуточной шиной 211 коллектора. Такой соединитель 208 с другой стороны электрически соединен с соответствующим токовым выходом катода (не показано). Промежуточная шина 211 коллектора далее соединена с элементами 218, 219 шины через элементы 220,221, 222 шины. В указанной выше конфигурации система шин может передавать ток и от выходов, расположенных на обеих боковых сторонах катодной системы, и от одной или нескольких промежуточных точек предпочтительным образом с точки зрения достижения равномерного распределения тока в катодной структуре электролизера, а также для уменьшения массы системы шин в целом. Следует понимать, что в соответствии с принципами настоящего изобретения могут быть построены и другие сочетания и конфигурации элементов шин. Величину тока, распределяемого через индивидуальные элементы шин, можно предварительно рассчитать и оптимизировать с использованием конструкторского программного обеспечения и контрольных испытаний. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ работы электролизеров, соединенных последовательно, где электрический ток поступает в один первый электролизер через анодную систему, расположенную в верхней части электролизера,через электропроводный электролит и далее через горизонтальный по существу катод и далее к анодной-3 016404 системе соседнего электролизера через один или несколько стояков (6; 206), по которым электрический ток вертикально выводится из указанного электролизера по меньшей мере из одной промежуточной точки указанного катода посредством по меньшей мере одного соединителя (8; 208) и затем передается дальше по ходу от указанного катода к одному или нескольким указанным стоякам (6; 206), отличающийся тем, что указанный катод содержит по меньшей мере один встроенный в него горизонтальный стержень коллектора, причем электрический ток отводится из электролизера также из по меньшей мере одного конца указанного стержня. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величина тока, передаваемого из катода по меньшей мере в одной промежуточной точке, пропорциональна величине тока, передаваемого из горизонтального конца указанного стержня коллектора. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что величина тока, передаваемого из указанной промежуточной точки, составляет менее 100% общего тока, где 100% представляет схему, имеющую выходы тока только из промежуточных точек. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что электрический ток, собранный в одном из промежуточных соединителей (8), передают по меньшей мере через один элемент (17) шины в шину (12) коллектора, расположенную по ходу ближе указанного соединителя (8). 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что электрический ток, собранный в одном из промежуточных соединителей (8), передают по меньшей мере через один элемент (16) шины в шину (10) коллектора, расположенную по ходу дальше указанного соединителя (8). 6. Система (1; 100) шин в электролизере, содержащем горизонтальную катодную структуру из электропроводного материала, имеющую выполненные заодно с ней токовые выводы и по меньшей мере один вертикальный вывод, характеризующаяся тем, что содержит промежуточную шину (11; 211) коллектора по меньшей мере с одним электрическим токовым соединителем (8; 208), связанным с катодной структурой по меньшей мере одним вертикальным выводом, причем система имеет по меньшей мере один горизонтальный стержень коллектора, встроенный в катод, и по меньшей мере один электрический токовый соединитель для по меньшей мере одного конца указанного горизонтального стержня коллектора. 7. Система по п.6, в которой указанные токовые выводы содержат горизонтальные стержни коллектора, встроенные в катод. 8. Система по п.6, в которой в катодной структуре имеется несколько электрических токовых соединителей (8; 208). 9. Система по п.6, характеризующаяся тем, что содержит по меньшей мере одну шину (10; 210) коллектора, соединенную по меньшей мере с одним выходом стержня коллектора на одной стороне указанного катода. 10. Система по п.6, характеризующаяся тем, что содержит шины (10, 12; 210, 212) коллектора, соединенные с выходами стержней коллектора на сторонах указанного катода. 11. Система по п.6, характеризующаяся тем, что содержит по меньшей мере один элемент (13) шины вне головной части указанного электролизера. 12. Система по п.6, характеризующаяся тем, что под оболочкой указанного катода она содержит по меньшей мере один элемент (17), расположенный кососимметрично. 13. Система по п.6, характеризующаяся тем, что указанные электролизеры расположены бок о бок. 14. Система по п.6, характеризующаяся тем, что указанные электролизеры расположены торец к торцу.