Evolución de la Tecnología de las Celdas Electrolíticas.
Jesús Rodriguez León
Ingeniero Superior Metalúrgico Especializado en Operaciones - Producción. Autor del Libro "La Transformación de Alúmina en Aluminio".
La celda de electrolisis es una unidad de producción relativamente pequeña y poco costosa cuando se le compara con unidades de otras industrias; esta característica obliga a la construcción de numerosas unidades para obtener una producción razonable, además es una ventaja, desde el punto de vista de la experimentación: ya que es relativamente fácil y económico hacer una celda experimental. En este articulo se resalta las tecnologías de las celdas con ánodos pre-cocidos.
Rodriguez León Jesús; 18 de Octubre 2020
Los cálculos permiten prever, en porcentajes aproximados, como funcionará una celda incluso antes de construirla. Las celdas siguen criterios necesarios para producir en condiciones óptimas. Inicialmente se persiguen obtener los factores técnicos, y después los económicos, que determinan el precio del costo, estos métodos se usan tanto para ajustar finamente el funcionamiento de una celda nueva como para restaurar las cubas que han cumplido su vida útil.
Factores técnicos.
El precio de costo, desde el punto de vista técnico, depende en gran parte de la producción de metal, por otra parte de los diversos consumos como: Alúmina, Energía, Carbón neto, Productos de Fluor, Mano de obra.
Estos factores no tienen la misma importancia y dos de ellos son preponderantes; por una parte, la producción de metal a una intensidad determinada, caracterizada por el rendimiento o eficiencia de la corriente, por otra, el consumo especifico de energía, traducido por el rendimiento kwh/tAl.
La importancia de la producción resulta evidente; la del consumo de energía algo menos, ya que ella no constituye la parte mas importante del precio de coste, pero, a simple vista, el consumo de energía constituye la mayor ganancia; el consumo de Alúmina por ejemplo, es prácticamente igual al consumo teórico, no hay en el ningún beneficio posible.
Eficiencia de corriente.
- Se ha hablado del rendimiento Faraday, pero la producción diaria de una celda no depende más que de este rendimiento y de la intensidad; este también depende de los parámetros que afectan la formación de la niebla metálica y la solubilidad de aluminio en el baño, tales como; la Temperatura, Distancia interpolar, Composición química del baño, Agitación y forma de la interfase baño-metal y la Densidad de corriente.
Los efectos magnéticos son muy considerados en los diseños de celdas, sobre todo a medida de que se va aumentando el amperaje de trabajo; ya que junto al desprendimiento gaseoso en el ánodo, ocasiona agitación de la interfase baño – metal. Ahora bien, estos efectos magnéticos no dependen mas que del campo, poco variable una vez que la celda esta construida, y de las corrientes horizontales en el metal, que dependen igualmente del cálculo de los conductores y de la forma de la cuba.
Para un diseñador, el cálculo del rendimiento de Faraday tiene una enorme importancia: le permite verificar si alcanza o no la marcha óptima correspondiente a la distancia interpolar que se haya fijado. Sobre un largo periodo, el calculo del rendimiento de Faraday resulta fácil; basta con registrar escrupulosamente los pesos extraídos de metal a la celda, evaluar la variación del funcionamiento del metal en este, y relacionar el total con la intensidad media durante el periodo. Por desgracia, los pesos de metal en una celda en funcionamiento son difíciles de calcular.
Tampoco se puede estimar el rendimiento de Faraday con una precisión suficiente para un periodo de varios meses por lo menos. Sin embargo los estudios de este genero han puesto en evidencia el hecho de que los rendimientos de corriente variaran considerablemente de una celda a otra alcanzando 95% en unas y 80 % en otras.
Se ha podido unir esta variación del rendimiento de Faraday a la edad de la celda, o para ser más precisos al estado de su cátodo, pero esta causa no explica más que una pequeña parte de las variaciones. Después de esto, el estudio del rendimiento de Faraday instantáneo tiene un interés primordial.
Consumo de energía.
Existe una relación suplementaria entre el voltaje, intensidad, distancia interpolar y rendimiento de Faraday: la que expresa el equilibrio térmico de la celda. La celda cede una potencia, dependiendo una parte solamente de las características de la construcción de la celda y otra de la perdida Joule en el ánodo y el cátodo.
El diseñador dispone de dos parámetros, la intensidad y el grado de calorifugado. A determinado calorifugado, existe una distancia interpolar optima, que conduce a los kWh/t mínimos, es del orden de 4cm y corresponde a una sola intensidad de la que se deduce rendimiento Faraday, voltaje y producción. Cuando el calorifugado aumenta, la distancia interpolar se desplaza hacia distancias pequeñas, y el amperaje hacia las intensidades más bajas, siendo el rendimiento de Faraday cada vez más bajo así como la producción. Esta bien claro que buscar así el mejor consumo de kWh/t es absurdo, ya que, bajando la producción, el precio de costo se elevara rápidamente por el juego de cargas fijas, de modo que hay que introducir un criterio económico que permitirá elegir.
Parte del consumo en la celda se debe a las resistencias óhmicas de los electrolitos y las burbujas de gas, además de las resistencias óhmicas en los ánodos y cátodos, sumado a que la distancia ánodo-cátodo (ACD) debe mantenerse por encima de una cierta distancia mínima para evitar la reacción de retroceso del aluminio con el CO2 y las pérdidas de calor son necesarias para mantener una repisa lateral congelada para proteger las paredes laterales, por lo que se debe desperdiciar calor adicional.
A pesar de los desafíos técnicos, el proceso se puede ajustar a niveles óptimos reduciendo el consumo de energía específico de la celda. Es necesario reducir significativamente las pérdidas de calor disipadas por la superficie externa de la celda, es decir, la cubierta del ánodo, los conductores del ánodo, los lados de la carcasa y los conductores del cátodo. Aparte de estos, hay varias formas de reducir el voltaje de la celda mediante cambios de diseño:
- Ánodos más grandes y / o muñones y yugo de ánodo más grandes y modificados
- Ánodos ranurados para un mejor drenaje de las burbujas de gas, reduciendo el efecto de ánodo
- Mejores procedimientos de varillado del ánodo para minimizar las caídas de voltaje externas
- Cambios en el diseño de la barra colectora actual y mayor dimensión (uso de cobre en las barras)
- Fundición de barras colectoras de cátodo en lugar de apisonar para obtener una mejor resistencia de contacto
- Modificación del revestimiento lateral de carbono a SiC
- Mejor ventilación de revestimiento lateral y carcasa de acero
- Compensación de campo magnético mejorada
- Rediseño de conductores y compensación entre reducción de voltaje y disminución de disipación de calor
Muchas de las reductoras líderes del mundo ya se han anticipado y se han apuntado a lo mismo. China, siendo el principal productor de aluminio, está desempeñando un papel importante en las tecnologías de reducción de energía. China Aluminium International Engineering Corporation Limited, también conocida como CHALIECO, está haciendo contribuciones significativas en la reducción de energía en las fundiciones líderes en todo el mundo.
Tecnologías de Celdas electrolíticas.
Efectivamente se pueden encontrar alrededor de más de 100 tipos de celdas entre 1889 y 1989 sin hablar de las variantes menores. Existen todavía celdas desde hace decenas de años, peo que han sido mejoradas con el tiempo, y cuyos resultados actuales no tienen nada en común con los resultados de origen que aquí se citan.
Una de las empresas con más fusiones a lo largo del tiempo ha sido Rio Tinto; fundada en 1873 a las orillas del rio tinto en Andalucía, en 1905 se extendió hasta Australia en Weipa con la empresa Commonwealth Aluminium Corporation (Comalco); en 1925 tenía concesiones en Zambia (Rhodesia) y en 1954 en Canadá(2). En 1962 todas las empresas del grupo se fusionaron tomando el nombre de Rio Tinto Group. En 2007 Rio Tinto adquirió a la Corporación ALCAN incluida Pechiney que había sido adquirida por ALCAN en el 2003.
Pechiney había desarrollado varias versiones de tecnologías de celda de trabajo lateral (Side by Side) y de extremo (End to End). En 1940-1941, las primeras cinco líneas de celdas AP7 que se instalaron en la planta de Jonquière - Canadá, (antes conocida como Arvida) se convirtieron en la primera generación de celdas Tecnología APX estas fueron de 45kA y se actualizaron a 65kA; entre 1963 – 1969 fueron llevadas a 70kA, la experiencia sirvió para la nueva generación de celdas AP9 de 90kA instaladas en la planta de Auzat en Francia (4).
Las celdas AP13 fueron construidas a partir de 1970, su amperaje evolucionó de 130KA hasta 180KA 1.6MT/año. En 1971 se construyeron de las primeras AP13 en Vlissingen – Holanda (Cerrada en 2011); en Lynemouth – Inglaterra entre 1972-1973 se arrancaron dos líneas de celdas de 140kA (Cerrada en 2012), en Kurri Kurri – Australia se arrancaron dos líneas de celdas entre 1970-1979 en cada una se fue incrementando el amperaje de celdas (Línea 1 = 48kA, Línea = 160kA), en la misma planta en 1985 se arrancó la línea 3 con 175kA. (Cerrada en 2012). Hoy en día hay 4mil celdas AP1X operativas.
Las celdas con tecnología AP18/AP2X empezaron a ser construidas a partir de 1976 con cuatro prototipos de celdas AP18 que funcionaban a 175 kA ; en 1979 instalaron 60 celdas AP18 en la línea de potencia F en St. Jean-de-Maurienne, Francia. La primera línea de comercial de celdas AP-18 se inició en Fort William, Reino Unido en 1981. Posteriormente, este tipo de celda logró un rendimiento operativo récord de 95% de eficiencia de corriente y 13,3 CC kWh / kg Al a 180 kA. Luego fueron modificadas hasta alcanzar 255KA (Hoy en día hay 3970 celdas AP2x operativas para 2.2MT/año).
Las celdas AP30/AP4X empezaron a ser construidas a partir de 1980, desde 275KA hasta 420KA (6378 celdas) 6.4MT/año.(3)
Alcan desarrolló y operó cinco celdas experimentales, (Side by Side), de alimentación puntual en Jonquière de 1981 a 1992. El diseño de la barra colectora tenía cuatro elevadores laterales, cuatro barras colectoras de cátodo debajo de las celdas y dos alrededor de los extremos. La primera generación de celdas Apex y A-275, operaban a 280 kA. La última generación A-310, operó a 310 kA. Ninguna de estas celdas están hoy en día como una línea de operaciones en alguna de las empresas de producción de Aluminio. (1)
Alcoa ha desarrollado nueve tipos diferentes de tecnologías de celdas, N-40, T-51, P-75 con raiser frontal y P-88, P-100, P-155, A-697, P-225 y A-817 con raiser lateral todas Side by Side. La N-40 o Niagara (1940) fue la primera celda con ánodos precocidos de Alcoa, trabajaba con 50KA, llevó el nombre de la planta de reducción Niagara Falls. Las productoras de aluminio primario de Brooklyn y Massena en Nueva York; Riverside en California; Mead y Vancouver en Washington, Jones Mills en Arkansas, Troutdale en Oregón - Estados Unidos y Alcasa en Venezuela fueron las empresas que usaron estas tecnologías, se hicieron importantes modernizaciones pero hoy en día ninguna esta en servicio.
En la década de 1950, Alcoa diseño la celda T-51 en Rockdale y Wenatchee; se instaló una versión ampliada, el P-75, en Massena y se instaló otra versión, el P-88, en Warrick. A principios de la década de 1960, el P-100, se instaló en las líneas de celdas de Rockdale, Wenatchee y Warrick. Cinco reductoras están operando ahora con la tecnología P-155 de 170kA introducida en 1969, incluidas Grande Baie, Laterrière y Sebree. Tres reductoras operan con la A-697 180 kA desarrollada en 1977 — Mt. Holly, Nuevo Madrid y São Luis.
Alcoa operó dos reductoras con la celda P-225 de 225kA en Tennessee desde 1970-1972 y en Massena desde 1975, ahora solo en servicio las de Massena. Las celdas P-225 tienen la capacidad de controlar los movimientos de ánodo individuales con dos ánodos por conector de ánodo / accionamiento por motor. Alcoa también desarrolló la tecnología de celda A-817 de 300 kA que opera en la reductora de Portland en Australia.
Elkem y Alcoa convirtieron una línea de producción de celdas Söderberg en celdas de ánodos precocidos de 155 kA en Mosjøen, las denominaron P-155.
Alusuisse Aluminium desarrolló ocho tipos de tecnologías de celdas; seis siguen en funcionamiento. Las celdas End to End incluyen tres variaciones de EPT-10 y tres variaciones de EPT-14. Las celdas Side by Side son EPT-10 y EPT-18. El prefijo EPT para las celdas Alusuisse significa Elektrolysezelle mit vorgebrannten anoden (recipiente de electrólisis con ánodos), Prozessgesteuerter (control por computadora) y Tonerdezusatz (alimentación de alúmina).
Alusuisse Aluminium construyó las celdas EPT-10 en Delfzijl, Husnes (Søral), New Johnsville (cerrado), Salzburgo (cerrado), Steg y Straumsvík (Isal). Las líneas que se construyeron utilizando las celdas EPT-14 fueron Essen, Lake Charles (cerrado en 1986), Sibenik (cerrado en 1992) y Richards Bay, Hillside (Alusaf). Las líneas tienen un diseño de barra colectora asimétrica de compensación magnética para aumentar la estabilidad electromagnética, lo que hace posible aumentar drásticamente la intensidad de la corriente sin una pérdida en la eficiencia de la corriente. Las EPT-18 en Rheinfelden ya no están en funcionamiento porque la fundición se cerró en 1991.
Reynolds Metals desarrolló cinco tipos de celdas; cuatro tipos todavía están en funcionamiento. En su nomenclatura la P- # se refiere a la cantidad de metros cuadrados de área del ánodo. En 1972, Reynolds desarrolló la celda P-6 de 75 kA, trabajó con 28 ánodos, que opera en las líneas Arak (Iralco) y Troutdale línea cinco. A finales de la década de 1960, Reynolds desarrolló la Invergordon 130kA y la P-19 145kA, con canal central de alimentación de Alumina en su línea de celdas experimental en la reductora Listerhill.
Las reductoras que operan con la celda P-19 incluyen Alcasa -Puerto Ordaz (Cerrada en 2019), Hamburgo (HAW), Santa Cruz (Valesul) y Venalum-Puerto Ordaz (Cerrada en 2019)(Venalum). HAW, junto con sus propietarios VAW, Reynolds y AMAG, convirtieron una línea de celdas en Hamburgo de canal central a alimentación puntual en la P-20S de 170kA; Reynolds también desarrolló la celda de alimentación puntual P-20S de 170 kA operada en Alcasa -Puerto Ordaz (Cerrada en 2019) e Ikot Abasi (ALSCON) y la celda P-23S de 180 kA, alimentación puntual (grupo de prueba) en Alcasa también fuera de servicio.
Hay 14 fundiciones de aluminio en Rusia, en algunas todavia utilizan celdas Söderberg. Hay seis tipos diferentes de tecnologías de celdas de ánodos precocidos desarrolladas por Rusal: C-50, C-125, C-160, C-175M2 y C-190 (End to End) y la celda C-255 (Side by Side). La mayoría de las fueron diseñadas y desarrolladas por el Instituto VAMI en San Petersburgo. La letra "C" se utiliza como prefijo para las celdas de ánodos precocidos (C-125 y C-160) y las Söderberg (C-2 y C-3).
VAMI desarrolló la celda C-255, 255 kA (Side by Side), con raisers laterales y alimentación puntual, a fines de la década de 1970; se hicieron prototipos en Volgogrado en cuatro celdas modelo y luego se construyeron en las líneas cinco y seis de Tadjik. El C255M1, una versión mejorada de la celda C-255, fue construido en Sayansk en la línea tres.
En Sayansk se desarrollaron y operaron cinco celdas CA-300 300 kA, (Side by Side), de elevación lateral y alimentación puntual, de acuerdo con VAW. Estas celdas ya no están en funcionamiento.
Dubal realizó importantes mejoras en las 499 celdas Kaiser P-69 que fueron diseñadas para operar a 140kA. Se modificó el diseño catodico, los ánodos y el sistema de alimentación a semi puntual, alacanzando así 200kA; La celda ahora se conoce como D-18 (18 ánodos) y funcionan a 180 kA. En Almahdi-Irán funcionan algunas celdas D-18.
Luego Dubal desarrolló la tecnología D18+ en 2013, manteniendo la misma distancia entre celdas pero con nuevas barras colectoras y raisers compensados magnéticamente. Las celdas se hicieron más largas para incluir dos ánodos adicionales y dos bloques de cátodos. Para ello modificaron la cuba existente e instalaron un moderno sistema de alimentación puntual de alúmina. Después de un proyecto piloto de siete celdas, las celdas D18 fueron reemplazadas por la tecnología D18+. La tecnología D18+ ofrece un consumo de energía específica neta por debajo de 13kWh/kgAl, una eficiencia superior al 95% y un aumento en la capacidad de producción a 2.0 toneladas Al/celda-día.
Dubal y Comalco desarrollaron conjuntamente la celda CD-200 de alimentación puntual y 200kA con 20 ánodos. Dubal ahora se refiere a su celda como CD-20 (20 ánodos), ya que sus celdas funcionan a un amperaje superior a 200 kA. Dos líneas con 485 celdas CD-20 están en funcionamiento en Dubai, y una línea de 48 celdas CD-20 está en funcionamiento en Tiwai Point.
Dubal junto con IMIDRO en Bandar Abbas - Irán trabajaron en el desarrollo de la tecnología D20, 240kA, 228 celdas, 20 ánodos/celda, 13,6 kWh/kg Al, sistema de alimentación de alúmina Fluid Flow, consiguiendo una capacidad de producción de 147.000 toneladas/año.
En 2004, DUBAL diseñó y desarrolló de manera independiente la celda DX en cinco celdas de prueba en la sección Eagle de línea 5 en DUBAL (operaciones EGA Jebel Ali), de 325kA en 2005. Con esta tecnología se construyeron las líneas de EMAL 1 y 2 con 378 celdas DX cada una, puestas en servicio en diciembre de 2013 a 350 kA con una capacidad de producción nominal de 740.000 toneladas por año.
En agosto de 2009, DUBAL completó una extensión de la tecnología DX, llamada DX+, diseñadas para operar a 460kA, a pesar de que es más grande la cuba, la distancia entre celdas se mantuvo 6,3m, igual que para las células DX. La configuración de la barra colectora también se mantuvo, pero el área de la sección transversal de la barra colectora es más grande. Ambas celdas tienen 36 ánodos, pero el tamaño del ánodo DX+ se incrementa para igualar las mayores dimensiones de la cuba y mantener la densidad de corriente del ánodo a un mayor amperaje. La línea 3 en EMAL, instaló 444 celdas DX+ en 2014 a 450kA, con una capacidad de diseño de 520.000 toneladas.
La tecnología DX+Ultra con las mismas dimensiones que las celdas DX+, comenzó sustituyendo las cinco celdas de prueba en la sección Eagle de línea 5 en DUBAL (operaciones EGA Jebel Ali) en 2014 a 450 kA. Las principales características de la tecnología DX+Ultra son: distancia de celda a celda reducida (6m), una distancia menor en la línea central de la celda, inserciones de cobre de barra colectora y flexiones de cátodo; 455kA, 95% de eficiencia y un consumo energético específico neto de 12,8 kWh/kgAl. La tecnología DX + Ultra fue seleccionada para la expansión de la línea 6 de Alba, en este modelo se incluyen secciones transversales de barras más grandes para un consumo de energía aún menor.
Hydro Aluminium ha desarrollado dos tipos de tecnologías de celda: HAL-150 (End to End) y HAL-230 (Side by Side) la cual tiene un desarrollo adicional HAL-250. Las celdas de 150 kA en Årdal y Sunndalsøra se han convertido en alimentación puntual. El sistema de barras colectoras se ha actualizado con barras de compensación para reducir los campos magnéticos. Cuatro celdas de prueba HAL-250 de 250 kA están en funcionamiento en Årdal. Hydro también modificó a alimentación puntual la HAL-230 en Høyanger, y construyó una línea de celdas en la productora de aluminio primario en Puerto Ordaz (Venalum) en 1988 y Ziar (Slovalco) en 1995.
En enero de 2018 inició la producción a nivel piloto en la planta de Hydro en Karmøy, (Noruega), de dos nuevos diseños; 48 celdas celdas HAL4e y 12 celdas HAL4e-Ultra, ambas tecnologías desarrolladas por Hydro, las 60 celdas han demostrado un potencial de consumo de energía de hasta 11,8 kWh/kg.comenzó y la capacidad anual es de alrededor de 75Mil toneladas de aluminio por año. Veinte de las celdas HAL4e fueron seleccionadas para la prueba de rendimiento final, que se llevó a cabo durante 75 días entre octubre y diciembre 2020. Durante el período de prueba, se realizaron una serie de mediciones adicionales en varios parámetros. Los resultados energéticos fueron de 12,27 kWh/kg Al, por debajo del objetivo establecido de 12,3 kWh/kg Al. Además, la prueba de rendimiento demostró un nivel récord de emisiones directas de CO2 del proceso de electrólisis por debajo de 1,45 kg CO2/kg Al. Se han instalado elementos tecnológicos de la planta piloto en la línea Hydro Husnes B, que se reinició en noviembre 2020.
Resumen de Diseños Hydro: HAL-150 de 160kA (Årdal y Sunndalsøra - Noruega) HAL-230 de 230kA (Hoyanguer-Noruega; Venalum-Venezuela; Slovaco-Eslovaquia) HAL-250 de 250kA (Årdal-Noruega) HAL4e (Karmøy-Noruega)
La empresa reductora alemana Vereinigte Aluminium Werke AG (VAW) fue fundada en Berlín en 1917, la misma fue adquirida en el 2000 por Hydro. VAW Aluminium desarrolló cinco tecnologías de celdas: las Erftwerk (1965), CA-120 y CA-165 (End to End) y las CA180 y CA-240 (Side by Side). Las celdas originales de VAW en Rheinwerk se basaron en el diseño Erftwerk. Todas las celdas de la fundición de Reinwerk se convirtieron de Söderberg a alimentación puntual y ánodos pre-cocidos, con 3 raisers laterales para reducir los campos magnéticos asociados con la proximidad de la barra conductora adyacente de las celdas en la misma línea; esta conversión también la realizaron en Bayside (Alusaf).
La fundición de Nordurál en Grundartangi se construyó en 1998 utilizando la tecnología VAW CA-180 de Töging, que dejó de operar en 1994; luego en 1999; 100 celdas de la línea de Töging (CA-120, 100 kA, End to End, alimentación central y 14 ánodos) se reubicaron en la reductora electrolítica de Danjiangkou en China. También se desarrollo una versión mejorada del CA-180 con una cuba, revestimiento y superestructura modificados, así como bloques de cátodo totalmente grafitizados para permitirle operar a 210 kA. VAW participó en el desarrollo y construcción de seis celdas de alimentación puntual CA-300, 300 kA, (Side by Side), con cuatro raiser laterales de 32 ánodos en la reductora electrolítica de Sayansk; estas celdas ya no están en funcionamiento.
Montecatini desarrolló tecnologías de celdas P-115 y P-155 (End to End) que están en funcionamiento en dos de cuatro reductoras electrolíticas de producción de aluminio: Bahrein (Alba); Puerto Madryn, Argentina (Aluar) en operaciones; Fusina y Porto Vesme, actualmente cerradas. Las líneas se han convertido a tecnología de alimentación por puntos y han sido adaptadas barras de con compensación magnética para reducir los campos asociados con la cercanía entre las celdas de una misma sala.
Kaiser Aluminium desarrolló cinco tipos diferentes de celdas: unas con raiser en los extremos P-57, P-69 y P-90 y otras con raiser lateral P-80 y P -86. Káiser nombró a sus celdas por el año en que se desarrollaron: P-57 (1957), P-69 (1969), P-80 (1980), P-86 (1986) y P-90 (1990).
Todavía hay cuatro modelos de celdas en funcionamiento, a pesar de que tienen modificaciones; la celda Kaiser P-57 90 kA PB se opera en las fundiciones de Ravenswood (Century) y Bell Bay (Comalco). La celda Kaiser P-69 de 150 kA con fue una de las primeras celdas internacionales, utilizada en siete fundiciones de aluminio en Hollyhead (Anglesey), Dubai (Dubal), Voerde (Hoogovens), Hawesville (National Southwire) ), Nuevo Madrid ( Noranda), Punta Tiwai ( Comalco ) y Tema (Valco). Muchas reductoras modificaron el sistema de alimentación central a una alimentación puntual.
Una línea de producción de celdas Söderberg de 60 kA en Sundsvall (Kubal, antes Gränges), se convirtió en 1987 en 56 celdas Kaiser P-86 de 150 kA de raiser lateral y alimentación puntual. Más de 30 celdas HS Söderberg en Nadvoitsy, Rusia, se han convertido en la celda de ánodos precocidos de alimentación puntual Kaiser K-93 de 60 kA (End to End) con seis ánodos, en Tacoma y Chalmette (cerrada). Estas celdas tenían compensación magnética para reducir los campos magnéticos. Kaiser también desarrolló y operó seis celdas P-80 de 195 kA raiser lateral y alimentación puntual con 16 ánodos en Tacoma en 1981, pero estas ya no están en funcionamiento.
Sumitomo Aluminium Smelting desarrolló la tecnología de celda S-170 (side by side) que se utiliza en dos fundiciones en Boyne Island ( Comalco ) y Kula Tanjung (Inalum). Las mejoras de modernización realizadas en la fundición de Boyne Island incluyen el uso de ánodos más largos, un nuevo diseño de cátodos y paredes laterales, alimentación por puntos, un sistema de control mejorado y un mayor amperaje (200 kA).
La compañía de Aluminio de Egipto (Egyptalum) en Nag Hammadi desarrolló la celda P-200 de 200 kA con compensación magnética (End to End) para reemplazar las celdas VS Söderberg.
Venalum en Puerto Ordaz, Venezuela, desarrolló la celda V-350 (Side by Side), cuatro raiser laterales, con 36 ánodos, 320 kA y alimentación puntual, pero estas ya no están en funcionamiento.
Hay más de 100 Reductoras electrolíticas productoras de aluminio primario en China, muchas son pequeñas y utilizan tecnología de células de Söderberg. Pero hay empresas muy grandes que han crecido mucho y han desarrollado al menos diez tecnologías diferentes de celdas: La P-60 y la P-115 fueron de las primeras (End to End); luego fueron diseñadas las celdas P-75, P-140, P-155, P-160 y P-160M, P-200, P-280 y P-320 (Side by Side). Las celdas P-60 se encuentran en etapa de prueba en más de diez fundiciones para modernizar las celdas de Söderberg menos eficientes.
En China, es común utilizar el número de amperaje para las celdas. Para identificar diferentes tecnologías para la misma corriente, a veces se usa el nombre de la planta antes del amperaje, como la celda Pingguo de 160 kA y la celda Qinghai de 160 kA.
Las celdas Guizhou P-160, (Side by Side), son de tecnología PB de Nippon Light Metals y las Celdas de alimentación puntual Danjiang P-115 (End to End); y Baiyin P-155 (Side by side), también fueron diseñadas por empresas fuera de China, pero desde los años 2000 China está desarrollando su propia tecnología para mejorar la modernización y la construcción de nuevas reductoras. En 1999, se puso en funcionamiento una línea experimental de 30 celdas P320, Side by Side, con seis raisers laterales y alimentación puntual.
Conclusiones.
Las celdas continúan haciéndose más grandes con amperajes mayores; Las pruebas que comenzaron a 400kA ya están en 600KA, sin embargo, las celdas más grandes tienen limitaciones, tales como:
- Deterioro más rápido del revestimiento del cátodo
- Emisiones atmosféricas potencialmente más altas.
- Aumento de la inestabilidad asociadas con ánodos grandes.
- Campos magnéticos más altos.
- Mayor impacto del tiempo de reacondicionamiento catódico.
Naturalmente, las mejores celdas en explotación industrial obtienen mejores resultados, aproximadamente 13 kWh/tAl para celdas precocidas o Prebake, y 14 kWh/t para celdas Soderberg. El futuro próximo puede preveer un descenso de los 12 kWh/t, en funcionamiento industrial.
Tecnológicamente, el actual proceso de producción puede ser un productor de gases de efecto invernadero cercano a cero, por eso los investigadores se han centrado en un menor consumo específico de energía y también eliminar la aparición de efectos de ánodo. Además, es posible reducir la producción inherente de CO2 reduciendo el consumo neto de ánodo de carbono, aunque esta reducción solo puede ser quizás del 10% o incluso menos con la tecnología de ánodo de carbono existente. Aquí, un ánodo inerte, si dicho material puede desarrollarse para su uso en la producción industrial de aluminio, representaría un avance tecnológico notable, porque entonces se forma oxígeno en los ánodos en lugar de CO2. Por el contrario, otro proceso alternativo, la producción carbotérmica de aluminio, aumentaría las emisiones de CO2 si el CO producido no se captura y almacena.
Un paso natural para ahorrar energía en el presente proceso de electrólisis sería recuperar energía de las principales fuentes de pérdida de calor de las celdas, las paredes laterales del cátodo y los sistemas de escape de gas del ánodo. Un paso futuro puede la disminución del CO2 relacionado con la generación de energía eléctrica. Finalmente, la recolección y limpieza del CO2 del proceso de electrólisis en sí puede ser quizás un escenario técnico posible en el futuro.
Los cambio hechos en las celdas sumados a las fusiones de empresas han vuelto un poco confusos los nombres de las celdas respecto a las empresas; actualmente, no existe un sistema universal para la nomenclatura y la identificación de tecnologías de celdas, cada una de las empresas que desarrollan tecnología utilizan sus propios sistemas de nombres, que difieren ampliamente en la industria. Alton Tabereaux en sus articulo “Prebake Cell Tecnology: A Global Review” publicado por la The Minerals, Metals & Materials Society(1) , recomendaba la adopción de un sistema de nomenclatura universal (UPBN) aceptable para la denominación de futuras celdas. Pero hasta ahora eso no ha ocurrido.
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Director de estrategia corporativa en CVG Venalum
4 añosQue satisfacción cuando arrancamos la producción de la celda V-350 en Venalum y teníamos prototipos de celdas más avanzadas. Todo eso se perdió