[发明专利]基于分子比的铝电解能量平衡调节方法、系统、铝电解槽

说明书

本发明涉及一种基于分子比的铝电解能量平衡调节方法、系统、铝电解槽，方法包括：1)预设不同分子比下的标准电解质温度区间，采集电解质温度测量值和分子比测量值；2)将电解质温度测量值与对应的标准电解质温度区间比较，若所述电解质温度测量值高于区间上限，则控制增加槽壁换热量；若电解质温度测量值低于区间下限，则控制减少槽壁换热量；若所述电解质温度测量值在区间范围内，则不做调整。本发明从电解槽散热侧反向对电解槽的热平衡进行调节，与输入端的能量平衡及物料平衡调节参数相互独立，实现了电解槽过热度(电解质温度)与其他工艺参数的“解耦”控制，能够实现电解铝性能优化和能量输入波动时的平稳运行，取得较好的节能效果。

技术领域

本发明涉及一种基于分子比的铝电解能量平衡调节方法、系统、铝电解槽，属于铝电解槽节能技术领域。

背景技术

铝电解工业生产采用冰晶石—氧化铝融盐电解法。所谓冰晶石—氧化铝融盐就是以冰晶石为主的氟化盐作为熔剂，氧化铝为熔质组成的多相电解质体系。以碳素体作为阳极，铝液作为阴极，通入强大的直流电后，在920℃～970℃下，在电解槽内的两极上进行电化学反应。化学反应主要通过以下方程进行：2Al₂O₃+3C＝4Al+3CO₂。阳极产物主要是二氧化碳和一氧化碳气体，阴极产物是铝液。

如图1所示的铝电解槽示意图，包括阴极1、阳极导电棒2、阳极母线3、打壳下料机构4、集气罩5、阳极碳块6、槽帮结壳7、侧壁内衬8、阴极棒9、槽壳10、防渗隔热材料11、电解质12、铝水13、烟道口14。通电后，电流依次通过阳极碳块6、电解质12、铝水13、阴极1、阴极棒9，电解生成的铝水形成在阴极1上。电解质12开始结晶时的温度为初晶点或初晶温度，电解质12的温度和初晶点的差为过热度。阳极碳块6到铝水13表面的距离为极距。电解过程中，电解质通过槽侧壁散热，靠近槽侧壁的电解质凝固形成槽帮结壳7，槽帮结壳7的形状由电解质温度决定，温度高则熔化一部分，温度低则槽帮结壳7变厚。

2017年我国铝电解用电量高达5000亿kWh，整个电解铝行业耗电量占到全国总用电量的9％以上，电解铝能量利用率不到50％，因此，铝电解生产的高能耗、低能效是一个较为严重的问题。

吨铝的直流电耗等于2980×平均电压/电流效率。低温及低电压工艺，是实现电解铝节能的两大途径。研究表明，电解温度每降低10℃，电流效率约提高1％，吨铝节电140度。但是，低温状态下电解质导电性能、氧化铝溶解性能、添加剂种类及添加方法等均对电解过程产生影响，因没有找到适宜的低温电解质体系，制约了低温电解在大型铝电解槽上的工业化应用。

而平均电压每降低0.1V，吨铝节电320度，因此，降低铝电解槽的槽电压，提高电流效率，从而实现节能是目前电解铝行业实现节能的主要途径。

然而，在铝电解生产过程中，槽电压是电解槽能量平衡中众多相互耦合的变量之一，电解槽能量平衡中任何变量的改变都会引起电解槽现有的平衡被打破，若不能控制其他变量使电解槽达到新的能量平衡，槽内铝电解反应会受到影响，电解槽的运行也会变得不稳定甚至电解槽遭到损坏。例如，极距的减小会减小槽电压，导致输入到电解槽中的能量减少，直接影响就是使电解质的温度降低和过热度降低，同时导致槽帮结壳及伸腿变厚，改变炉帮形状，影响槽内电流分布和电解槽的电磁稳定性。而能量平衡的打破和改变又会影响到槽内的物料平衡(氧化铝和氟化铝成分的稳定)，例如槽帮结壳和伸腿的熔化或变厚会影响电解质水平，改变氧化铝浓度，电解质温度的改变会影响氧化铝的溶解度；最终会改变电解质的分子比和初晶点，而初晶温度的改变又会反过来影响过热度，过热度又会引起一系列的参数和变量的改变。也就是说电解槽的能量平衡和物料平衡不是相互独立的，而是能量平衡和物料平衡中每个参数每个变量之间都存在耦合关系，是互相关联互相影响的，因此在现有技术中，同时控制好电解槽的能量平衡和物料平衡才能取得好的技术经济指标和保证电解槽稳定运行。