[发明专利]从铝电解槽提取热的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及从用于生产铝的电解槽提取热的方法和装置。具体地说，本发明涉及通过沿着阳极靶茎向上的热传导对阳极/棒/轭部组件的冷却，以及对这种冷却效果的增强和控制。

背景技术

铝电解槽中的阳极组件由阳极靶茎(anode stem)(导杆(rod))、具有棒(突出部)的阳极轭部和碳阳极块组成。靶茎的上端通过夹具附连到阳极杆(beam)，并且其下端与阳极轭部相连。棒与阳极碳块成为一体。阳极靶茎可以由铝或者铜制成，而轭部由铝、铜制成或者象通常那样由钢制成。棒由钢制成。靶茎与轭部之间的电和机械连接由双金属板构建。将棒紧固在碳块中的孔内的一种传统方式是通过铸铁。

除了给阳极供应电流以及给阳极杆提供机械连接，因此将阳极固定在其正确的位置上之外，阳极靶茎在电解槽的能量平衡中起重要的作用。输入到电解槽的电能的大约50％损失为热。上至50％的热损失发生在电解槽的顶部，并且其大部分还是通过阳极。

通常，对于300kA的电解槽而言大约6-7kW的热从电解质起、通过每个阳极碳块并且向上传导。其一部分通过阳极顶部上的阳极覆盖材料，但是大部分热(每个阳极大约5kW)通过棒传导并且进入到轭部中。然后大约4kw通过电磁辐射和对流热传递从轭部和棒消散掉，而剩余的1kW传导到阳极导杆中。传导到阳极导杆中的一部分热消散到顶部外皮(top crust)与上部结构之间的气体中，并且另一部分消散到上部结构外部。

铝电解槽内的能量平衡是非常需要慎重考虑的。极端重要的是正确地保持能量平衡，因为电解槽操作严重依赖于在电解槽的内壁处具有一层冻结的电解质以保护内层(lining)。当在现有的电解电池列(potline)中增加安培数时，必须采取许多行动来适应于更高的电流。众所周知的措施是使用具有高导电性的碳阴极，适应更大的(更长的)阳极，通过使用更薄的侧壁来增大电解槽腔的尺寸，并且减小阳极-阴极距离(ACD)。然而，对阳极尺寸是有上限的，并且对可以使用而不额外损失电流效率和不冒磁流体动力电解槽不稳定的风险的ACD是有下限的。从某种观点看，只有通过保持ACD恒定并且采取措施来增加流出电解槽的热，才可能进一步增加安培数。

正如可提出证据加以证明的那样，增加热损失最简单的方式是通过在每个阳极中增加棒的数量，或者通过增大棒的直径。除了增加热损失之外，这种方式还具有减小阳极组件的电阻的固有益处。然而，通过棒增加热损耗达不到与增加横截面积成正比，并且更大的棒尺寸可能带来阳极碎裂的问题。

从棒/轭部的增加的热损失还将导致增高未净化气体(raw gas)的温度。为什么这是不期望的至少存在三个原因：1)如果温度增至高于其设计的操作温度，则会增加与干式气体洗涤器中的过滤袋相关的维护成本，2)由于该区域中许多机电设施的缘故，保持上部结构的温度低于某限度是重要的，3)对工作在电解槽附近的操作员可能存在增大的热压。因此必须通过增加吸入到电解槽中的空气来补偿额外的热损失。然而，排气管和气体洗涤系统中的气流是在铝工厂中目前最大的质量流(例如80吨空气/每吨铝)，并且运输气体的成本与容积流的立方(cube)大致成正比。此外，增加的吸入率还将需要按比例增加与干式洗涤系统相关的设备。

对提高未净化气体温度而不增大吸入率的问题的一种解决方式是通过将水雾喷到未净化气体管中使未净化气体冷却下来，如WO2004064984中公开的那样。与这种冷却未净化气体的方式相关的一个可能的缺点是未净化气体管中增加的腐蚀。另外，供应给电解槽的氧化铝中的水分将增加，这可能给环境带来更高的HF发射。在干式气体洗涤器前面降低温度的一种更好的方式可能是将一个或多个热交换器放到未净化气体流中。与满是灰尘和污染的未净化气体中的污垢相关的问题看来得到了解决：参见WO2006009459中的描述。

可以通过主动冷却阳极轭部来实现降低未净化气体温度、以及强效增加通过阳极的热流近来得以公开(WO2006088375)。在这个思想下，安培数增加、以及从未净化气体取出的热量的可能性看来非常高。然而，在某些情况下，在电解槽的上部结构处对阳极轭部和必要设施的更改仍可能需要高得不能接受的投资。

NO318164B1公开了一种在用于铝生产的电解槽中对惰性电极的控制方法。要解决的问题是通过远离活跃的阳极表面传输热来减少阳极材料的分解，以及通过优选保持活跃的阴极表面的温度高于电解质的温度来减少在该表面上的沉积形成。通过解决该问题，可以改善基于惰性电极的电解过程。

发明内容