[發明專利]基于分子比的鋁電解能量平衡調節方法、系統、鋁電解槽

有效

• 申請號: 202010575520.0
• 申請日: 2020-06-22
• 公開（公告）號: CN112210794B
• 公開（公告）日: 2021-12-21
• 發明（設計）人: 梁學民;李曉春;馮冰;曹志成
• 申請（專利權）人: 鄭州輕冶科技股份有限公司
• 主分類號: C25C3/20
• 分類號: C25C3/20
• 代理公司: 鄭州睿信知識產權代理有限公司 41119
• 代理人: 崔旭東

本發明涉及一種基于分子比的鋁電解能量平衡調節方法、系統、鋁電解槽，方法包括：1)預設不同分子比下的標準電解質溫度區間，采集電解質溫度測量值和分子比測量值；2)將電解質溫度測量值與對應的標準電解質溫度區間比較，若所述電解質溫度測量值高于區間上限，則控制增加槽壁換熱量；若電解質溫度測量值低于區間下限，則控制減少槽壁換熱量；若所述電解質溫度測量值在區間范圍內，則不做調整。本發明從電解槽散熱側反向對電解槽的熱平衡進行調節，與輸入端的能量平衡及物料平衡調節參數相互獨立，實現了電解槽過熱度(電解質溫度)與其他工藝參數的“解耦”控制，能夠實現電解鋁性能優化和能量輸入波動時的平穩運行，取得較好的節能效果。

技術領域

本發明涉及一種基于分子比的鋁電解能量平衡調節方法、系統、鋁電解槽，屬于鋁電解槽節能技術領域。

背景技術

鋁電解工業生產采用冰晶石—氧化鋁融鹽電解法。所謂冰晶石—氧化鋁融鹽就是以冰晶石為主的氟化鹽作為熔劑，氧化鋁為熔質組成的多相電解質體系。以碳素體作為陽極，鋁液作為陰極，通入強大的直流電后，在920℃～970℃下，在電解槽內的兩極上進行電化學反應。化學反應主要通過以下方程進行：2Al₂O₃+3C＝4Al+3CO₂。陽極產物主要是二氧化碳和一氧化碳氣體，陰極產物是鋁液。

如圖1所示的鋁電解槽示意圖，包括陰極1、陽極導電棒2、陽極母線3、打殼下料機構4、集氣罩5、陽極碳塊6、槽幫結殼7、側壁內襯8、陰極棒9、槽殼10、防滲隔熱材料11、電解質12、鋁水13、煙道口14。通電后，電流依次通過陽極碳塊6、電解質12、鋁水13、陰極1、陰極棒9，電解生成的鋁水形成在陰極1上。電解質12開始結晶時的溫度為初晶點或初晶溫度，電解質12的溫度和初晶點的差為過熱度。陽極碳塊6到鋁水13表面的距離為極距。電解過程中，電解質通過槽側壁散熱，靠近槽側壁的電解質凝固形成槽幫結殼7，槽幫結殼7的形狀由電解質溫度決定，溫度高則熔化一部分，溫度低則槽幫結殼7變厚。

2017年我國鋁電解用電量高達5000億kWh，整個電解鋁行業耗電量占到全國總用電量的9％以上，電解鋁能量利用率不到50％，因此，鋁電解生產的高能耗、低能效是一個較為嚴重的問題。

噸鋁的直流電耗等于2980×平均電壓/電流效率。低溫及低電壓工藝，是實現電解鋁節能的兩大途徑。研究表明，電解溫度每降低10℃，電流效率約提高1％，噸鋁節電140度。但是，低溫狀態下電解質導電性能、氧化鋁溶解性能、添加劑種類及添加方法等均對電解過程產生影響，因沒有找到適宜的低溫電解質體系，制約了低溫電解在大型鋁電解槽上的工業化應用。

而平均電壓每降低0.1V，噸鋁節電320度，因此，降低鋁電解槽的槽電壓，提高電流效率，從而實現節能是目前電解鋁行業實現節能的主要途徑。

然而，在鋁電解生產過程中，槽電壓是電解槽能量平衡中眾多相互耦合的變量之一，電解槽能量平衡中任何變量的改變都會引起電解槽現有的平衡被打破，若不能控制其他變量使電解槽達到新的能量平衡，槽內鋁電解反應會受到影響，電解槽的運行也會變得不穩定甚至電解槽遭到損壞。例如，極距的減小會減小槽電壓，導致輸入到電解槽中的能量減少，直接影響就是使電解質的溫度降低和過熱度降低，同時導致槽幫結殼及伸腿變厚，改變爐幫形狀，影響槽內電流分布和電解槽的電磁穩定性。而能量平衡的打破和改變又會影響到槽內的物料平衡(氧化鋁和氟化鋁成分的穩定)，例如槽幫結殼和伸腿的熔化或變厚會影響電解質水平，改變氧化鋁濃度，電解質溫度的改變會影響氧化鋁的溶解度；最終會改變電解質的分子比和初晶點，而初晶溫度的改變又會反過來影響過熱度，過熱度又會引起一系列的參數和變量的改變。也就是說電解槽的能量平衡和物料平衡不是相互獨立的，而是能量平衡和物料平衡中每個參數每個變量之間都存在耦合關系，是互相關聯互相影響的，因此在現有技術中，同時控制好電解槽的能量平衡和物料平衡才能取得好的技術經濟指標和保證電解槽穩定運行。