Equipement électrique et automatisation des installations d'électrolyse

Toutes les électrodes des bains d'électrolyse sont généralement connectées en parallèle, de sorte que le courant de l'électrolyseur est constitué de la somme des courants des paires d'électrodes individuelles : au contraire, la tension dans le bain est égale à la tension dans les paires d'électrodes. . Les bains d'électrolyse, quant à eux, sont connectés en série, de sorte que la tension totale de l'installation atteint des centaines de volts. Une exception concerne les installations de décomposition de l'eau réalisées sur le principe d'un filtre-presse, où toutes les électrodes sont connectées en série.

Du fait que les courants dans les installations électrolysées et les tailles des installations sont importantes, le système de conduite de courant est assez ramifié, avec un grand nombre de contacts.

En figue. 1 montre un schéma de jeu de barres pour un bain d'électrolyse d'aluminium. Comme vous pouvez le constater, il est très complexe de fournir une alimentation bidirectionnelle via de puissants packs de bus et l'utilisation de compensateurs de dilatation thermique flexibles.De plus, s'il est nécessaire de déconnecter les bains pendant les réparations, des cavaliers sont fournis pour connecter les packs de cathodes de deux bains adjacents, supprimant ainsi l'un d'eux.

Riz. 1. Jeu de barres pour un bain d'électrolyse d'aluminium avec une anode continue et une alimentation en courant latérale : 1 - colonne montante d'anode, 2 - jeu de barres d'anode, 3 - jeu de barres de compensation, 4 - jeux de barres d'anode flexibles, 5 - contact de jeu de barres à broches, 6 - tige de jeu de barres cathodique , 7 - bus cathodique flexible, 8 - bus cathodique en paquet.

L'aluminium et le cuivre sont utilisés comme matériau pour les rails, moins souvent le fer. Densité de courant économique à électrolyse est de 0,3 à 0,4 pour les jeux de barres en aluminium, de 1,0 à 1,3 pour les jeux de barres en cuivre, de 0,15 à 0,2 A / mm2 pour les jeux de barres en acier et en fonte.

La section transversale des pneus est contrôlée pour la perte de tension (pas plus de 3%), pour le chauffage (température maximale 70 ° C à une température ambiante de 25 ° C) et pour la résistance mécanique. Les liaisons à contact fixe sont réalisées par pression (les pneumatiques sont comprimés entre deux plaques en acier coulé, serrées avec des boulons) ou soudées. Les contacts de la fiche sont boulonnés. Les pinces à coin ou excentriques sont plus fiables et pratiques.

En raison de leur puissance plus élevée, les installations d'électrolyse sont généralement alimentées par un réseau haute tension et des transformateurs abaisseurs spéciaux sont utilisés pour adapter la tension d'alimentation à la tension des installations en alimentant des unités de conversion pour convertir le courant alternatif triphasé en courant continu. .

Les redresseurs semi-conducteurs à régulation de tension douce sont utilisés pour alimenter les installations d'électrolyse à haute puissance, car leur efficacité est élevée (98 - 99%), ils sont plus fiables et durables, faciles à entretenir, constamment prêts à fonctionner, silencieux et sans émissions toxiques.

Lors de la création d'installations d'électrolyse puissantes, il est nécessaire d'inclure des vannes semi-conductrices en parallèle, et parfois en série, ce qui pose des difficultés dues à une certaine dispersion de leurs caractéristiques. Pour égaliser la répartition du courant entre les vannes en connexion parallèle et la tension en série, des solutions de circuit spéciales sont utilisées.

Étant donné que les vannes à semi-conducteurs ne sont pas capables de supporter des surcharges de courant et de tension importantes, des dispositifs de protection spéciaux sont utilisés pour court-circuiter les vannes en cas de panne et les éteindre en cas d'augmentation dangereuse de la tension ou du courant de fonctionnement.

La régulation de la tension redressée dans les installations à diodes semi-conductrices n'est possible que du côté AC. Pour cela, la commutation des étapes de tension du transformateur abaisseur principal ou d'un transformateur de commande spécial avec un interrupteur à distance est utilisée. Un réacteur de saturation est inclus dans chaque bras du pont redresseur pour une régulation de tension en douceur.

La disposition des vannes est généralement réalisée dans des armoires fabriquées pour des courants de 13 000 et 25 000 A et pour une tension redressée de 300 à 465 V. Les sous-stations de conversion alimentant les installations d'électrolyse sont complétées par les armoires. Le refroidissement des armoires redresseurs peut être à air ou à eau.

Le réglage automatique des unités de conversion peut être effectué de trois manières : pour une tension constante, pour une puissance constante, pour un courant constant.

La régulation de la tension continue fournit également un courant constant pour les processus où il n'y a pas d'effets d'anode. Pour les installations d'électrolyse de l'aluminium, un tel système n'est pas satisfaisant, car avec l'apparition d'effets anodiques, le courant dans une série de bains diminue et la productivité des bains diminue, surtout avec des effets anodiques simultanés dans plusieurs bains. Dans ce cas, non seulement la productivité d'une série de bains peut chuter de 20 à 30 %, mais aussi le mode de fonctionnement thermique des bains d'électrolyse est perturbé.

En régulation à puissance constante, celle-ci est maintenue par un régulateur constant ; dans le cas ci-dessus, le courant série chute mais moins que dans le cas précédent car le régulateur augmente la tension. Avec cette régulation, il n'y a pas d'évolution de la consommation d'énergie, ce qui est souhaitable pour le système électrique, mais nécessite une marge de tension au poste de conversion.

La régulation CC est la meilleure en termes de respect des exigences du processus. Cependant, avec une telle régulation, en cas de chute de tension dans le réseau d'alimentation ou d'apparition d'un effet d'anode, le régulateur augmente la tension d'alimentation et la consommation d'énergie augmente. Par conséquent, ce système de contrôle nécessite à la fois des réserves de tension et de puissance dans la sous-station de conversion (généralement entre 7 et 10 %).

Récemment, des travaux ont commencé sur l'utilisation de sources de courant paramétriques pour l'alimentation d'installations d'électrolyse, dans lesquelles se produit un effet d'anode qui stabilise automatiquement le courant alternatif quelles que soient les variations de sa résistance.

Habituellement, les bains d'électrolyse sont installés le long de l'axe du corps du bâtiment en deux ou quatre rangées, et la sous-station électrique est reliée au corps du bain par des conduits de bus dans des conduits de bus ou par des rampes. À l'intérieur du boîtier, les jeux de barres sont situés dans des canaux de jeu de barres de part et d'autre des cellules.

Schéma du mouvement des ions lors de l'électrolyse du cuivre Électrolyte - une solution de sulfate de cuivre est versée dans un récipient et deux plaques de cuivre (électrodes) y sont abaissées. Les processus qui se produisent pendant l'électrolyse sont discutés dans les articles Qu'est-ce que l'électrolyse et Électrolyse - exemples de calcul.