一种可柔性运行的大型双层密闭惰性阳极铝电解槽

电解或电泳工艺的制造及其应用技术1.本发明属于铝电解槽技术领域，具体涉及一种可柔性运行的大型双层密闭惰性阳极铝电解槽。背景技术：2.传统的原铝采用hall-heroult法(霍尔赫劳尔特电解炼铝法)进行生产，该方法中铝电解的阳极采用碳素材料，阳极产生气体为碳氧化物(co2、co)、全氟化碳(pfc)和其他含氟气体，排放的气体主要为温室气体，是造成全球气候变暖的温室气体来源之一。3.同时，采用碳阳极的铝电解槽由于会经常更换阳极，且采用覆盖料进行保温，导致上部散热分布不均、且变化剧烈，覆盖料和槽盖板都无法实现密封状态，无法实现电解槽烟气的有序排放和管理，更不利于上述散热的可控调节，电解槽柔性运行能力较差。4.针对惰性阳极铝电解槽，国内外主要集中于公开惰性阳极结构，如专利us7282133b2报道，在惰性阳极上部增加了热辐射防护罩，在电解槽中操作期间保护陶瓷或金属陶瓷惰性阳极免受热冲击，有利于延长惰性阳极的使用寿命。专利us20200115812a1公布的一种惰性阳极为一种厚度较小的方形结构，该发明优化阳极的穿孔设计，以改善阳极下方氧气泡的逸出，从而降低电解槽气泡层中的压降，同时实现阳极电流密度的最小可能增加，确保低阳极过压、低阳极压降和低阳极消耗。针对惰性阳极电解槽的结构，专利us20210332490a2报道的一种竖直式排布的惰性阳极铝电解槽，阳极和阴极在竖直方向成平行排布。但上述所涉及的惰性阳极铝电解槽相关专利均未考虑到电解槽的热平衡调节以及电解槽柔性运行的策略。5.针对密闭性铝电解槽方面，专利cn203668524u公布了一种采用碳阳极的保温电解槽，其主要思路是将覆盖料和槽盖板一体化，取消电解槽覆盖料，但其盖板并非密封状态，无法实现上部散热的可控调节。专利cn112831803b公布了一种采用碳阳极的双层密闭铝电解槽，将上部烟气区域分成高温烟气和低温烟气部分，低温烟气区域仍会导致烟气的泄露，烟气成分浓度未实现最大化富集，上部散热调节和烟气处理还有较大的优化空间，且电解槽采用碳阳极，频繁换极对电解槽热平衡调节是一个巨大的挑战。6.由上可知，目前碳阳极铝电解槽碳排放较大、上部结构不利于电解槽的柔性运行，铝电解槽很难达到深度节能、降耗、减排的目的。而针对惰性阳极铝电解槽的研究大部分集中于惰性阳极结构，未完全达到电解槽低能耗、柔性运行的目的。技术实现要素：7.本发明解决的技术问题是：针对现有的铝电解槽温室气体排放较大且排放有序性、可控性较差，上部热量利用率较低，上部散热可调性差，电解槽柔性运行能力较差等问题，提供一种可柔性运行的大型双层密闭惰性阳极铝电解槽，以便提高电解槽的柔性运行能力，达到铝电解节能、降耗、减排的目的。8.本发明通过以下技术手段解决上述问题：9.一种可柔性运行的大型双层密闭惰性阳极铝电解槽，包括槽壳、底部保温内衬、阴极钢棒、阴极炭块、侧部防渗内衬、侧部保温内衬、阴极凸起、阳极凸起、阳极分流部件以及阳极导杆；所述槽壳的顶部设置有密闭式保温盖板和密封式槽盖板；所述密闭式槽盖板和密闭式保温盖板之间形成气流散热控制区，所述气流散热控制区的端面设置有进气窗口，气流控制散热区连接有集气管道，所述集气管道上安装有流量控制元件。10.进一步，所述密闭式保温盖板上设置有保温盖板温度检测探头，所述保温盖板温度检测探头配备有保温盖板温度检测模块，所述槽壳侧面配备有侧部槽壳温度检测探头，所述侧部槽壳温度检测探头配备有侧部槽壳温度检测模块，还包括控制单元和两段式下料系统，所述控制单元包括气体流量控制模块和下料控制模块，所述保温盖板温度检测模块和侧部槽壳温度检测模块均与控制单元电连接，所述气体流量控制模块与流量控制元件电连接，所述下料控制模块与两段式下料系统电连接。11.进一步，所述阴极钢棒和阳极导杆分别设置有阴极电流检测探头和阳极电流检测探头，所述阴极电流检测探头和阳极电流检测探头分别配备有阳极电流检测模块和阴极电流检测模块，所述阳极电流检测模块和阴极电流检测模块均与控制单元电连接。12.进一步，所述进气窗口靠近密闭式保温盖板布置，进气窗口可以是2个或者多个，根据电解槽大小进行设置。13.进一步，所述集气管道包括集气总管道和多根集气支管道，多根所述集气支管道均与集气总管道连通。集气总管道外部连接气泵，流量控制模块用于控制集气负压和集气管道中气体的流速14.进一步，所述两段式下料系统包括氧化铝料箱、与氧化铝料箱连通的第一定容器、设置在第一定容器出料端的第一下料锥体、推动第一下料锥体移动的第一下料气缸、通过下料过度管道与第一定容器连通的第二定容器、设置在第二定容器出料端的第二下料锥体以及推动第二下料锥体移动的第二下料气缸，所述第二定容器上设置有烟气排气口和烟气进气口。15.进一步，所述烟气进气口与第二定容器呈30°～60°的夹角。烟气进气口呈上扬状态，烟气首先通过烟气进气口进入第二定容器与其中的氧化铝发生吸附，烟气中的氟化物被吸附后，剩余烟气从排气口排出，同时氧化铝被加热。16.进一步，所述惰性阳极所用材料包括但不限于金属合金材料、金属惰性阳极材料。17.进一步，所述惰性阳极结构包括但不限于竖直排布式、水平排布式，阴极与阳极之间的间距控制在1.2cm～2.5cm之间。18.进一步，所述密闭式槽盖板和密闭式保温盖板的材料包括但不限于铝镁尖晶石材料、氧化铝基烧结材料、金属陶瓷等。19.进一步，通过配置分布式阳极电流检测模块、分布式阴极电流检测模块、保温盖板/侧部槽壳温度检测模块，获取电解槽电流分布、生热分布、氧化铝消耗分布等分布式信息，然后将数据信息传递至气体流量控制模块与下料控制模块进行运算与决策，实现惰性阳极电解过程热量平衡、质量平衡动态调控。20.本发明的有益效果：21.本发明通过将传统的覆盖料替代成密闭式保温盖板，可实现惰性阳极铝电解槽中富氧烟气的温度提升与富集，并通过两段式下料系统，可以对烟气中的氟化物在高温环境条件下第一时间吸附，达到减排的目的，烟气温度的提升也更有利于烟气余热回收。22.在惰性阳极材料技术日趋成熟的条件下，通过本发明设计，充分构造一个长时间密闭的电解体系，实现电解过程的黑箱化，不但有助于大幅提升烟气温度，更有助于提升污染物浓度，降低处理成本。23.本发明通过在密闭式保温盖板上部构造气流散热控制区，且采用了密封式槽盖板，仅通过进气窗口和集气管道实现气流散热控制区气体的流通和控制，通过调节冷热气流的交换量实现对电解槽上部散热进行控制，进而实现电解槽热平衡的有效调节和控制，并加强了电解槽的柔性运行能力。24.本发明通过对电解槽阴极电流、阳极电流、密闭式保温盖板温度和侧部槽壳温度的实施检测，并将信号和数据传递控制单元，通过控制单元的下料控制模块和气体流量控制模块分别控制下料和上部气体排放，对电解槽的质量平衡和热量平衡可实现实时调节，有利于智能化生产。25.由上所述，该电解槽通过在上部设置双层耐腐蚀密闭盖板替换传统阳极覆盖料与槽盖板，利用上部气体热流量控制解决惰性阳极电解过程热平衡动态调控问题；采用两段式下料系统同步实现氧化铝下料和富氧烟气收集与净化的功能，达到提升富氧烟气温度及组分浓度、便于烟气处理及余热利用的目的。26.总之，本发明通过对上部结构进行创新、对电解槽烟气进行合理富集与排放、对下料系统进行改进、对上部散热进行实时调节，共同达到了铝电解槽节能、减排、柔性运行的目的，并且有利于电解槽智能运行，进而实现电解槽对抗电流波动的能力，可有利于具有波动下、季节性等特征的新能源电力消纳。附图说明27.图1为本发明优选实施例的结构示意图；28.图2为两段式下料系统的结构示意图；29.图3为密闭式槽盖板的结构示意图；30.图4为采用爪式惰性阳极结构的电解槽示意图；31.图5为采用圆盘式惰性阳极结构的电解槽示意图。32.图中标号：33.1-槽壳，2-底部保温内衬，3-阴极钢棒，4-阴极炭块，5-侧部防渗内衬，6-侧部保温内衬，7-阴极凸起，8-阳极凸起，9-阳极分流部件，10-密闭式保温盖板，11-密闭式槽盖板，12-进气窗口，13-集气管道，1301-集气支管道，1302-集气总管道，14-阳极导杆，15-两段式下料系统，1501-第二下料锥体，1502-第二下料气缸，1503-第二定容器，1504-下料过度管道，1505-第一下料锥体，1506-氧化铝料箱，1507-第一定容器，1508-第一下料气缸，1509-烟气排气口，1510-烟气进气口，16-保温盖板温度检测探头，17-侧部槽壳温度检测探头，18-爪式惰性阳极结构，19-圆盘式惰性阳极结构。具体实施方式34.下面通过实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。显然,所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。35.如图1至图5所示，本实施例的可柔性运行的大型双层密闭惰性阳极铝电解槽，包括槽壳1、底部保温内衬2、阴极钢棒3、阴极炭块4、侧部防渗内衬5、侧部保温内衬6、阴极凸起7、阳极凸起8、阳极分流部件9以及阳极导杆14；所述槽壳的顶部设置有密闭式保温盖板10和密封式槽盖板11。36.所述密闭式槽盖板和密闭式保温盖板之间形成气流散热控制区，所述气流散热控制区的端面设置有进气窗口12，气流控制散热区连接有集气管道13，所述集气管道上安装有流量控制元件。所述密闭式保温盖板上设置有保温盖板温度检测探头16，所述保温盖板温度检测探头配备有保温盖板温度检测模块，所述槽壳侧面配备有侧部槽壳温度检测探头17，所述侧部槽壳温度检测探头配备有侧部槽壳温度检测模块，还包括控制单元和两段式下料系统15，所述控制单元包括气体流量控制模块和下料控制模块，所述保温盖板温度检测模块和侧部槽壳温度检测模块均与控制单元电连接，所述气体流量控制模块与流量控制元件电连接，所述下料控制模块与两段式下料系统电连接。所述阴极钢棒和阳极导杆分别设置有阴极电流检测探头和阳极电流检测探头，所述阴极电流检测探头和阳极电流检测探头分别配备有阳极电流检测模块和阴极电流检测模块，所述阳极电流检测模块和阴极电流检测模块均与控制单元电连接。37.具体的，进气窗口12设置于接近密闭式保温盖板10上表面位置，集气管道13设置于电解槽中部位置，集气管道13包括集气支管道1301和集气总管道1302。窗口和管道如此排布的目的是使电解槽上部气流控制区域更加均匀，空气从进气窗口12进入后，尽可能地流经整个气流散热控制区。同时，集气总管道1302外部连接气泵，流量控制模块用于控制集气负压和集气管道中气体的流速，实现上部气体对流换热的可控调节。38.具体的，参见图2，所述两段式下料系统包括氧化铝料箱1506、与氧化铝料箱连通的第一定容器1507、设置在第一定容器出料端的第一下料锥体1505、推动第一下料锥体移动的第一下料气缸1508、通过下料过度管道1504与第一定容器连通的第二定容器1503、设置在第二定容器出料端的第二下料锥体1501以及推动第二下料锥体移动的第二下料气缸1502，所述第二定容器上设置有烟气排气口1509和烟气进气口1510。该两段式下料系统的工作原理是：氧化铝首先存储在氧化铝料箱1506中，通过第一下料气缸1508和第一下料锥体1505上下滑动，使氧化铝掉入第一定容器中。进一步，氧化铝通过下料过度管道1504进入第二定容器1503中，氧化铝在第二定容器1503中与烟气进气口1510进入的烟气充分接触和发生吸附反应，使得氧化铝被加温的同时，氟化物得以吸附在氧化铝上，使得烟气得到一定的净化处理。最终，在收到下料控制模块的下料命令后，通过第二下料锥体1501和第二下料气缸的上下滑动，使含氟氧化铝颗粒通过重力作用进入电解槽中。39.具体的，参见图2，烟气进气口1510呈现出上扬的状态，与第二定容器垂直方向成30°～60°角度，以防止含氟氧化铝颗粒在未执行下料命令时误进入电解槽中。烟气排气口1509外部连有抽气泵，迫使电解槽内烟气逐步往外排出。40.具体的，参见图1，阳极电流模块和阴极电流模块的电流检测数据通过神经网络算法预测电解槽内部的电流分布，并将该数据传递至气体流量控制模块和下料控制模块，同时保温盖板和侧部槽壳温度检测模块的数据传递至气体流量控制模块和下料控制模块，最终通过上述信息判断电解槽的热量平衡和质量平衡状态，共同实现气体流量和下料的控制决策。41.具体的，参见图1、图4、图5，本发明中惰性阳极的结构可以是阳极与阴极成竖直平行排布，如图1所示；也可以成水平平行排布，如图4和图5中的爪式惰性阳极结构18、圆盘式惰性阳极结构19，阳极的个数及排布方式可根据惰性阳极结构进行调整，不受本发明所列举的实施方式限制，阴极与阳极之间的间距控制在1.2～2.5cm之间。42.应用例子：43.以某400ka惰性阳极铝电解槽为例，采用竖直式板状的惰性阳极进行电解，同时阴极炭块表面也设置有凸起的板状阴极结构，阳极和阴极交错排列，极距控制为1.5cm±0.3cm。正常槽况下，烟气排气口外连接的抽气泵负压设置为-100pa，气流控制区域连接的集气总管道所连接的外部抽气泵负压设置为-250pa，气体控制区域的平均气体流动速度为2m/s，两段式下料系统的下料间隔为120s。发生电解槽总电流增大5％的异常槽况时，通过阳极电流和阴极电流检测模块均发现电流的实时波动数据，同时温度检测模块测得电解槽侧部温度怎加了5℃，上部保温盖板表面温度增大了8℃。将上述模块的数据反馈到下料控制模块和气体流量控制模块后，将下料间隔迅速调整至113s，以达到电流增大后氧化铝消耗与下料的质量平衡新状态；集气总管道所连接的外部抽气泵负压设置为-259pa，使得气体平均流速增大至2.1m/s，通过增大电解槽上部散热，抵消了由于电流增大导致的热收入增加量。通过上述散热和下料的自动调节，使电解槽运行经过约20分钟后迅速达到正常状态，实现了电解槽的柔性运行和调节。44.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。









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