Elektrische Ausrüstung und Automatisierung von Elektrolyseanlagen

In Elektrolysebädern sind in der Regel alle Elektroden parallel geschaltet, so dass der Strom des Elektrolyseurs aus der Summe der Ströme einzelner Elektrodenpaare besteht; im Gegenteil ist die Spannung im Bad gleich der Spannung in den Elektrodenpaaren . Die Elektrolysebäder wiederum sind in Reihe geschaltet, sodass die Gesamtspannung der Anlage Hunderte Volt erreicht. Eine Ausnahme bilden Wasserzersetzungsanlagen nach dem Prinzip einer Filterpresse, bei denen alle Elektroden in Reihe geschaltet sind.

Aufgrund der Tatsache, dass die Ströme in den Elektrolyseanlagen groß sind und die Anlagen groß sind, ist das Stromleitungssystem recht verzweigt und weist eine große Anzahl von Kontakten auf.

In Abb. 1 zeigt ein Sammelschienendiagramm für ein Aluminium-Elektrolysebad. Wie Sie sehen, ist es sehr komplex und bietet eine bidirektionale Stromversorgung über leistungsstarke Buspakete und den Einsatz flexibler Wärmeausdehnungskompensatoren.Darüber hinaus sind für den Fall, dass die Bäder bei Reparaturen getrennt werden müssen, Brücken vorgesehen, die die Kathodenpakete zweier benachbarter Bäder verbinden und so eines davon entfernen.

Reis. 1. Sammelschiene für ein Aluminiumelektrolysebad mit einer kontinuierlichen Anode und seitlicher Stromversorgung: 1 – Anodensteigleitung, 2 – Anodensammelschiene, 3 – Kompensationssammelschiene, 4 – flexible Anodensammelschienen, 5 – Stiftsammelschienenkontakt, 6 – Kathodensammelschienenstange, 7 – flexibler Kathodenbus, 8 – Paketkathodenbus.

Als Material für Schienen werden Aluminium und Kupfer verwendet, seltener Eisen. Wirtschaftsstromdichte bei Elektrolyse beträgt 0,3 – 0,4 für Aluminium-Sammelschienen, 1,0 – 1,3 für Kupfer-Sammelschienen, 0,15 – 0,2 A/mm2 für Stahl- und Gusseisen-Sammelschienen.

Der Reifenquerschnitt wird auf Spannungsverlust (maximal 3 %), auf Erwärmung (maximale Temperatur 70 °C bei 25 °C Umgebungstemperatur) und auf mechanische Festigkeit geprüft. Feste Kontaktverbindungen werden durch Druck (die Reifen werden zwischen zwei Gussstahlplatten komprimiert und mit Schrauben festgezogen) oder durch Schweißen hergestellt. Die Steckkontakte sind verschraubt. Keil- oder Exzenterspanner sind zuverlässiger und bequemer.

Aufgrund ihrer höheren Leistung werden Elektrolyseanlagen in der Regel aus einem Hochspannungsnetz gespeist. Dabei werden spezielle Abwärtstransformatoren eingesetzt, um die Versorgungsspannung an die Spannung der Anlagen anzupassen, indem sie Umwandlungseinheiten versorgen, die dreiphasigen Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln .

Halbleitergleichrichter mit sanfter Spannungsregelung werden zur Versorgung von Elektrolyseanlagen mit hoher Leistung eingesetzt, da sie einen hohen Wirkungsgrad (98–99 %) haben, zuverlässiger und langlebiger sind, wartungsfreundlich, ständig betriebsbereit, geräuschlos und ohne giftige Emissionen.

Bei der Schaffung leistungsstarker Elektrolyseanlagen ist es notwendig, Halbleiterventile parallel und manchmal in Reihe zu schalten, was aufgrund einer gewissen Streuung ihrer Eigenschaften zu Schwierigkeiten führt. Um die Stromverteilung zwischen den Ventilen in Parallelschaltung und die Spannung in Reihe anzugleichen, werden spezielle Schaltungslösungen eingesetzt.

Da Halbleiterventile größeren Strom- und Spannungsüberlastungen nicht standhalten, werden spezielle Schutzeinrichtungen eingesetzt, die die Ventile im Fehlerfall kurzschließen und bei gefährlichem Spannungs- oder Betriebsstromanstieg abschalten.

Eine Regelung der gleichgerichteten Spannung ist bei Anlagen mit Halbleiterdioden nur wechselstromseitig möglich. Hierzu wird die Umschaltung der Spannungsstufen des Hauptabspanntransformators oder ein spezieller Steuertransformator mit Fernstufenschalter verwendet. Für eine reibungslose Spannungsregelung ist in jedem Zweig der Gleichrichterbrücke eine Sättigungsdrossel enthalten.

Die Anordnung der Ventile erfolgt üblicherweise in Schaltschränken, die für Ströme von 13.000 und 25.000 A und für eine gleichgerichtete Spannung von 300–465 V hergestellt werden. Umspannwerke, die Elektrolyseanlagen versorgen, werden durch Schaltschränke vervollständigt. Die Kühlung von Gleichrichterschränken kann durch Luft oder Wasser erfolgen.

Die automatische Anpassung der Wandlereinheiten kann auf drei Arten erfolgen: für konstante Spannung, für konstante Leistung, für konstanten Strom.

Die Gleichspannungsregelung sorgt auch für einen konstanten Strom für Prozesse, bei denen es keine Anodeneffekte gibt. Für Aluminiumelektrolyseanlagen ist ein solches System nicht zufriedenstellend, da mit dem Auftreten anodischer Effekte der Strom in einer Reihe von Bädern abnimmt und die Produktivität der Bäder abnimmt, insbesondere bei gleichzeitiger anodischer Wirkung in mehreren Bädern. In diesem Fall kann nicht nur die Produktivität einer Reihe von Bädern um 20 – 30 % sinken, sondern auch die thermische Funktionsweise der Elektrolysebäder wird gestört.

Bei der Konstantleistungsregelung wird diese durch einen Konstantregler aufrechterhalten; Im obigen Fall sinkt der Reihenstrom, jedoch weniger als im vorherigen Fall, da der Regler die Spannung erhöht. Mit dieser Regelung kommt es zu keinen Änderungen im Energieverbrauch, was zwar für das Stromnetz wünschenswert ist, jedoch eine Spannungsreserve an der Umspannstation erfordert.

Die DC-Regelung ist im Hinblick auf die Erfüllung der Prozessanforderungen am besten geeignet. Bei einer solchen Regelung erhöht der Regler jedoch bei einem Spannungsabfall im Versorgungsnetz oder dem Auftreten eines Anodeneffekts die Versorgungsspannung und der Energieverbrauch steigt. Daher erfordert dieses Steuerungssystem sowohl Spannungs- als auch Leistungsreserven in der Umspannstation (typischerweise innerhalb von 7–10 %).

Vor kurzem wurde mit der Verwendung parametrischer Stromquellen zur Stromversorgung von Elektrolyseanlagen begonnen, bei denen ein Anodeneffekt auftritt, der den Wechselstrom unabhängig von Änderungen seines Widerstands automatisch stabilisiert.

Normalerweise werden Elektrolysebäder entlang der Achse des Gebäudekörpers in zwei oder vier Reihen installiert, und das Umspannwerk ist über Sammelschienenkanäle oder Rampen mit dem Badekörper verbunden. Im Inneren des Gehäuses liegen die Stromschienen in Stromschienenkanälen auf beiden Seiten der Zellen.

Diagramm der Ionenbewegung während der Kupferelektrolyse. Elektrolyt – Kupfersulfatlösung wird in ein Gefäß gegossen und zwei Kupferplatten (Elektroden) werden darin abgesenkt. Die bei der Elektrolyse ablaufenden Prozesse werden in den Artikeln besprochen Was ist Elektrolyse? Und Elektrolyse – Berechnungsbeispiele.