CN1006308B - 铝电解槽上用的自动增强抽吸作用的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种自动进入增强抽吸状态的方法，该方法是抽吸从火法电解生产铝的一系列的电解槽中逸出的气体，每一电解槽中气体的收集工作至少通过一根与中央抽吸系统相连的导管来进行。

气体在导管中温度是连续地进行测定的，至少一个盖子的开启就能引起温度的突然降低，这就有可能使得系统进入增强抽吸状态，而当所有盖子重新封闭时，该状态自动停止，气体温度将基本上恢复到其初始值。

因此，该抽吸系统所需功率就显著降低了。

Description

本发明属于可自动实现增大抽吸效果的方法及其装置。它特别适用于生产铝的电解槽上所用的收集逸出物的系统。它也可以用于收集任一种呈气态或尘粉状的热废材料的系统上。

铝是用电解溶解于冰晶石中的铝矾土的工艺生产出来的。实现这种生产工艺的电解炉的一般构成是：

1）一碳阴极，它置于一钢管之中。该钢管包有耐热材料。因而是绝热的;

2）一个或多个碳阳极。阳极浸在冰晶石液中，不断地承受着由铝矾土分解产生的氧的氧化作用。

电流的流向向下。由于焦耳效应，冰晶石可保持液态，其温度接近它的凝固温度。电解槽的通常操作温度在930和980℃之间。生产出的铝呈液态并籍重力沉积于液体透不过的阴极上。生产出的铝或其一部分按一定时间间隔由一浇包桶取走并转移到铸造炉中。氧化掉的阳极需经常用新的来更换。

这种电解槽的工作电压通常在3.8和5V之间。日产量与通过电解槽的电流强度成比例。这种认识导致了电解槽是串联放置的，数目为150至250台，一般是接近于变电站的饱和电压值（200～1000V）。这种认识还导致了用增大电解槽的办法增加操作电流 强度。

电解槽中的溶液是一种冰晶石为基础组分的熔融体。其中还使用了多种添加剂以增大电解工序中的电流效率。这些添加剂还具有下列特点：降低混合物的熔点和（或）降低铝在冰晶石熔液中的重新溶解度和（或）加大电解液的电导性。添加剂中有钙、镁、锂和氟化铝。

因为高温而使槽中的熔解逐步蒸发，从而产生了下述两种缺陷：

-熔解的逸出物为呈气态或粉粒状的氟化物。当逸出量过多时，它们就被认为是毒害环境的污染物;

-必须除净蒸发出来的氟化物，这是电解槽生产成本中的一个重要项目。

人们感兴趣的是如何将上述的逸出物在它的产生处-即电解槽上收集起来。

已经有许多种逸出物收集系统被采用，它们具有三种功能：

a）在电解槽上收集逸出物：使用手动的或机械化的排出口进行收集。当电解槽的操作需要时（更换严重氧化掉的阳极或取出铝），排出口即可打开;

b）排走含有氟化物的逸出物：此操作通过与一排风扇相通的管道来进行。一般是，电解槽与一公共收集系统呈并联连接。热平衡是通过对各管道的断面进行气体动力学的计算来实现的，或通过隔板或活门来实现的;

c）逸出物的处理：对逸出物进行洗涤，然后用静电或套筒型过滤器进行处理，或者在干燥条件下将氟围着于矾土上，然后再将后者送入电解槽中。

在现代设备中，逸出物的收集效率可达97至99%。

对此工艺很熟悉的人都知道，在这类系统中逸出物的收集效率与 各电解槽上所具有的抽吸速度密切相关。很明显，基本建设投资成本和运转成本（风扇功率和生产系统的维修）将随抽吸速度的提高而增大。对此工艺熟悉的人认为，实际上，在收集逸出物的总费用与以米³/升为单位的抽吸速度之间存在有一个比例关系。

在电解槽进行操作时，特别是在更换报废了的阳极或取走生产出的铝的时刻，必须打开或拉开盖电解槽的盖子或者它上面的门。打开电解槽的常规时间可以是几分钟到几十分钟。在这段时间中，为了保持高的逸出的收集率，上述电解槽上的抽吸流速必须加大。除了这段时间之外（这时盖子已准确地放回到原位置上，从而具有了封闭效果），抽吸流速可以低一些，这样并不会对逸出物的收集效率产生坏的影响。在这之后，我们将用“盖子”一词表示实际的盖子和通入电解槽的门，例如，浇铸用门。

一种双抽吸系统完全有可能使逸出物收集装置的效率达到最佳水平。用接近于所要求的最低水平的平均流速对该装置进行计算。借助于一可手动或机械化控制的活门装置，当电解槽的操作者需要打开盖子的时候，电解槽上的流速即可短时间地增大。

这种手动系统具有这样的缺点，即操作上具有极大的限制性以及操作者易于忘记上述操作。

如果在很多电解槽上始终具有增大了的抽吸效果的话，则在抽吸系统的总流速保持恒定的条件下，则另外一些电解槽上流速将会降低很多。如果当电解槽的部分盖子打开的时候，增大的抽吸效果未实现的话，则含氟的逸出物将会漏出到电解厂房中。

本发明的目的是，实现从全部盖子都盖上时的电解槽上方的正常抽吸状态过渡为盖子（至少有一个）打开时短时增大抽吸状态这一过程的自动化。

可以在每个盖子上装一个电气开关来实现上述目的。然后，需要考虑到这样一个事实，一个现代化的280，000安培的电解槽大约有40个盖子，一列电解槽上大约有一百到二百个电解槽。这样，便需要安装上几千个开关，这些开关又需在电解槽周围的恶劣条件（高温和腐蚀性）下工作，因而它们的可靠性是令人怀疑的，费用也太高。

本发明根据的是观察到的这样一种现象，如果对由中央抽吸系统经由各电解槽抽入的气流在某一适宜的部位上进行测温的话，就会发现，只要有一个盖子打开的话，气流的温度就会出现突降，可以降低50至100℃。因此，可以用简单的、可靠的和方便的装置使设备上呈现增强的抽吸状态，而当盖子盖上时，可以使设备又返回到正常的抽吸状态。

更准确地说，本发明属于一种方法，即可以自动地使气体进入到增强抽吸状态。气体是由采用了霍尔赫鲁特（Hall-Heroult）生产工艺，从熔融的电解液中生产铝的一列电解槽中散发出来的。每一个电解槽是由沿其四周放置的许多个可移动的、滑移的或抬升的盖子封闭起来的。这些盖子彼此之间以及它们与电解槽四周的盖子支持物之间基本上是密封的。在各个电解槽上收集气体的工作是由许多个与中央抽吸系统连通的n个导管（n可以从1到10个以上）来进行的，其特点是：

1.在各导管（i）中对气体温度t（i）进行连续测定。在电解槽封闭时的正常抽吸状态下，气体温度t（i）将接近于一基本值t₀（i）。

2.将每一个气体温度t（i）与第一个上参考值t₁（i）相比较。t₁（i）低于t₀（i）。当测量的温度（至少有1个）等 于或小于t₁（i）时。t₁（i）为电解槽上的盖子至少有一个是处于打开状态时的温度），随着气体温度通过临界值t₁（i），系统进入到增强的抽吸状态。

3.对n个导管（i）中的每一个的气体温度t（i）进行了连续测定。对强制的抽吸流速（增大的抽吸）来说以及当电解槽封闭时，各个气体温度t（i）将接近于一低于t₀（i）的基本值t′₀（i）。

4.各个气体温度t（i）与低于t₁（i）的第二个参考值t′₁（i）进行比较。当全部测量温度t（i）大于t′₁（i）（电解槽返回到封闭状态）时，作为对温度通过临界值t′₁（i）的反应，系统进入到正常抽吸状态。

上述的临界值本质上决定于抽吸流速，而一种简单的、自动的调节临界值的办法是使这些临界值决定于被抽吸气体的平均温度。平均温度是由n个导管中的气体温度测定值计算出来的。也可以在总集合管的部位测量出来。这样，就可以不管抽吸流速而实现临界值的自动控制。上述方法未涉及到任何装置。

本发明也涉及一装置。该装置可使上述方法自动地进入到增强的抽吸状态，其特点为它包括有：

-在各导管（i）中用于测定气体温度t（i）的装置;

-将t（i）与第一个临界值t₁（i）和第二个临界值t′₁（i）进行比较的装置;

-自动地实现增强的抽吸效果的装置;

-当t（i）再次等于或大于t′₁（i）时，可自动地终止增强的抽吸效果的装置;

-控制各电解槽导管的气体流速的装置;

-确定临界值t₁（i）和t′₁（i）的装置。

图1和图2说明本发明的操作方式。

图1为喷西尼（PECHINEY）设计的现代化280，000安培电解槽的部分侧视图。在该图中已有两只盖子被卸走了以便更换已损耗的电极。

图2为280，000安培电解槽不同抽吸流程部分垂直断面的示意图。

电解槽包括有一个水平梁（1），它形成了电解槽的上部结构并支承着铝矾土供料斗（图中未示出）、正电极棒（2）以及通过图中（4）所示的装置而锁紧在正电极（2）上的电极支承杆（3）。在打开两只盖子（7）后，已损耗的电极（5）被取走（图中只表示出其中之一的电极的情况），移走的盖子各自放置在其它未打开的盖子（6）的开口上。与基础部分相连的栅架（8）为新鲜空气进入工作区域提供了一个入口处。

请参阅图2，它仅表示出了为正确理解本发明所必须有的组成部分，电解槽划分成由A至E表示的五个抽吸区，它相当于上述两只盖的宽度，其中每个区域都有自己的抽吸导管AL、BL、CL、DL、EL，每个导管尺寸应该是这样的，即它能保证在该导管中的流量达到预定值，该预定值与电解槽几何形状有关系。

五只导管AL、BL、CL、DL和EL汇集于集气总管（10）中，后者与中央抽气装置相接（图中未示出）。

在上面已说明的特殊情况下，每个导管在汇集于集气总管（10）之前，在其出口处都设置有热电偶，其位置用11、12、13、14及15表示。热电偶可以是，例如，镍铬+合金化镍型的同轴结构热电偶，这种热电偶具有比较高的灵敏度和极良好的抗电解槽中逸 出的含氟气体的腐蚀性。

平均的稳定温度是在正常流量的条件下，在不同的热电隔处测定的：

1）所有盖子包括门（18）都处于关闭状态，门（18）设置在电解槽的前部，它为放出液态铝的通道（称浇注孔）;

2）打开图2中所示A区到E区中所设置的一个盖子以及浇注孔，所获得结果如下：热电偶温度t（℃），测定到的偶差△t（℃）。

盖子及门关闭    175    170    150    130    175

A区打开    t    30    100    130    150    130

△t    -95    -70    -20    +20    -45

B区打开    t    140    75    100    130    130

△t    -35    -95    -50    0    -45

C区打开    t    150    125    70    120    120

△t    -25    -45    -80    -10    -55

D区打开    t    200    150    100    75    120

△t    +25    -20    -50    -55    -55

E区打开    t    220    170    120    20    80

△t    +45    0    -30    -60    -95

浇注孔打开t    230    180    150    70    55

△t    +55    +10    0    -60    -120

可以看到，打开任何一个盖子都会使气流温度降低50℃以上，在所有设置热电偶的点上，至少有一个点是这样的，温度降低是在几秒钟反应时间内产生的。这足以准确地产生一个使该系统进入增强抽 吸状态的电信号。

特别简单又特别有效的进入增强抽吸状态的方法是，在每一个导管上都设置一个由一传动装置带动的活门或阐门（17）或挡板。在正常位置时，活门所通过的流量为每分N立方米，而在全开位置时，则活门所通过的流量为每分X×N立方米，其中X最大取值范围为1.2～4，最好为1.5～3。

活门可以由一块绕一轴传动的整体板构成，它相对于气流方向或多或少倾斜一定角度，具体视所要求的流量而定。活门也可以由一块整体的或穿孔的滑板构成，该滑板封闭在一定比例的导管断面，在增强抽吸状态时，它或多或少地缩回一些。

也可以采用比例控制开口的方法，这取决于开启的活门数目，可以应用已知装置来达到这个目的。

在所涉及各种各样的情况中，该装置都是通过小型传动机构带动的，该传动机构在电解槽及电解槽中导管的外部运转，因此没有被腐蚀的危险。

气体流量控制也可以通过缩紧或放松导管的一个柔性材料部分来进行，该柔性材料部分能经受得住所研究的温度的作用并能耐含氟组分的腐蚀，例如注册商标为海帕伦（HYPALON）或特氟隆（TEFLON）的合成橡胶就可作为这种柔性材料，缩紧作用可以通过机械方式来实现也可以通过一双层结构套筒中的液压作用来实现，后者夹住导管柔性部分「称之谓“多沙帕罗”（注册商标）」。

在电解槽尺寸较小的情形时，这时它只具有单个抽吸通路，温度测定可以在抽吸通路的出口处进行（相应于图2中点（16））。在这种情况下，当打开电解槽一个盖子时气流温度的降低不会超过50℃，但它仍然至少等于20℃，这在任何情况下也足以准确地确 保该系统进入增强抽吸状态。此外，通过实验已发现，在280KA电解槽的情况下，可以在单个点〔在（16）处〕来测定温度，方法是把热电偶定位在来自五个集气通道的五度气流汇集区的下游方向处。灵敏度是降低了，但对于进行这个过程来说它还是足够的。

当移开的盖子一个或多个重新回位封盖时，温度又迅速地上升到某一值，该值至少在前几秒钟内不总是等于开盖前其初始值。但是，温度的升高仍然是足够迅速的（几秒钟），并且其值足以产生一个信号使系统恢复到正常抽吸状态。

因而，根据实验，根据电解槽尺寸及抽吸通道的特点，本领域内熟练人员是能够确定在降低温度时的第一个温度临界值t₁（此时系统进入增强抽吸状态）以及在温度升高时的第二个温度临界值t′₁（此时系统恢复到正常抽吸状态），这两个临界值可以相同也可以不同。

就表1所述情况来看，触发系统进入增强抽吸状态的临界值可以固定在100℃，而使系统恢复到正常抽吸状态的临界值可以固定在70℃或80℃。

现代处理信号的方法使得上述系统能以较低成本来完成。

事实上可以看到，当至少在一个集气导管上进行测量时，开启或关闭一只盖子将引起温度方面迅速变化，这种温度变化值可以达到每秒若干度。

这种变化，尽管是显著的和迅速的，但不会在连续运转方式中（正常抽吸、盖子处于封闭状态或至少在一个盖子打开情况下的增大抽吸）出现。

因而有可能利用微分符号dT/dt来使系统进入或脱离增强抽吸状态。

除了使系统进入增强抽吸状态之外。本发明的方法还能执行一定量的，与现代大功率电解槽运行有关的功能。除了使系统变换到增强抽吸状态之外，温度越过临界值t₁（i）或t′₁（i）这一点也可以用来使每一组电解槽的中央控制板上的警告信号灯点亮（和/或使音响警告装置发出声响），从而指示出在某一给定的电解槽上是否至少有一只盖子打开了（或者还保持着开启的状态），同时也指示出在一组给定的电解槽中有多少盖子是打开的。例如，有一列150个的电解槽，其中每30个电解槽组成一组，每五组各带有一个抽吸系统，可以看到，当一组中多于4个盖子同时打开时，抽吸效果（应该转换到增强抽吸状态）开始不是。在这种情况下就可以设置一只警告器来警告操作人员：要暂缓打开第五个盖子（或第n个盖子）。

也可以采用同样方法来监测那个没有正确地重新关闭好的盖子的位置或者由于巯忽还一直处在开启状态的盖子的位置。

总之，在中央控制站，有可能来控制盖子的开启和关闭的数目，盖子开启和关闭所需的时间。温度超过临界值t₁（i）和t′₁（i）时所产生的信号输入到控制该过程的电子计算机中，后者产生并编制出与操作状况相关的数据，警告以及与该过程相关的各种各样计算。

通过实施本发明可以获得许多益处，现总结如下：

1）就抽吸系统消耗能量来说可以节省能源。一个具有恒定的3米³/秒/每电解槽的抽吸能力的、现有的常规系统生产每吨铝大约消耗300瓦小时电能，也就是说，与电解操作所要求的12500到13500瓩小时电能相比这只是一个微小的部分。通过实施本发明就可以将抽吸流量减少到2米³/秒/每电解槽，只是在增强抽吸状态时约有50%的时间处于3米/秒/每电解槽的峰值。每吨铝节约 的能量可达60到90瓩小时。

2）就逸出物收集来说，有较高的效率，这可以根据打开盖子情况选择最佳条件。

3）含氟废料相应地减少，这些废料是不收集的。

4）消除由于疏忽而一直让盖子处于开启位置所带来的危害，这就减轻加在操作人员身上的责任。

5）该设备既简单又坚固耐用，因而基本投资费用低。

6）有可能编制出一张电解槽的热平衡图表：各种气体流量及现在已知的气体温度，由此很容易就推导出气体所需的热能。

7）最后，正如已经提出过那样，有可能控制盖子的开启和关闭而无需任何那些与盖子本身相连的机械式的或电一机械式的装置，从而提高了其可靠性。

本发明特别是为用火法电解法生产铝的电解槽系列而构思的，但它同样地也可以应用到任何一种抽吸封闭设备中热气体的系统，该封闭设备必须打开或偶而需要打开以便让外面的冷空气进入设备内。

Claims (11)

1、一种自动进入增强抽吸态的方法，该方法是抽吸从由霍尔赫鲁特法(Hall-H  eroult)的火法电解生产铝的一系列电解槽中逸出的气体，每一个电解槽在其表面处为若干只可移动式盖子所封闭，这些盖子放置得使得它们之间能互相密封并使得某个盖子与该电解槽表面上的支承装置之间也能密封，每一电解槽中气体的收集工作至少通过一根与中央抽吸系统相连的导管来进行，其特征在于：

1)气体温度t(i)在n个导管(i)中的每个导管上连续地进行测量，对于正常抽吸流速以及电解槽是关闭情况，气体温度t(i)将接近于基本值ts(i)；

2)每个气体温度t(i)都与第一上参考值t_i(i)进行比较，t_i(i)＜t

(i)，当至少有一个被测定温度变成等于或小于t_i(i)时，这相当于电解槽上至少有一个盖子开启，则该系统随着气体温度超过临界值t₁(i)而进入增强抽吸状态；

3)n只导管中每一导管(i)中的每一个气体温度t(i)将不断地进行连续的测定，对于强力抽吸速率(增强抽吸)以及在电解槽是关闭情况下，每一个气体温度t(i)将接近于基本值t (i)，t

(i)＜t

(i)：

4)每一个气体温度都与一个第二低参考值t^′ ₁(i)进行比较t^′ ₁(i)＜t₁(i)，当所有测定的温度t(i)达到一个高于t^′ ₁(i)的数值时，这相当于恢复到电解槽关闭的状态，则系统随着温度越过临界值t^′ ₁(i)而返回到正常抽吸状态。

2、权利要求1中的方法的特征在于，从正常抽吸状态转变为增强抽吸状态和其逆过程是通过改变电解槽中的气体流速而实现的，这是由温度越过温度临界值t₁（i）和t₁′（i）来控制的。

3、权利要求2中的方法的特征在于，增强抽吸状态下的气体流速与正常抽吸状态下的气体流速之比率为1.2～4，

4、权利要求2的方法特征在于，增强抽吸状态下的气体流速与正常抽吸状态下的气体流速之比率，最好为1.5～3。

5、权利要求1到3中的方法的特征在于，温度超过临界值t₁（i）和t₁′（i）时同样也能使一组电解槽的中央控制板上的信号灯点亮和/或音响装置发出声响。

6、权利要求1到3中的方法的特征在于，温度越过临界值时所产生的信号被输入到控制该过程的电子计算机中以便产生和编制出操作状态，运算和警告信息。

7、根据权利要求1至6中任何一项，执行自动进入增强抽吸状态这一过程的装置，其特征在于它包括有：

1）一个在每一导管（i）中测定气体温度t（i）的装置;

2）一个能与某第一上参考值t₁（i）和某第二下参考值t₁′（i）进行比较的装置;

3）一个当t（i）等于或低于t₁（i）时能自动启动增强抽吸操作的装置;

4）一个当t（i）重新转变等于或高于t₁′（i）时能自动停止增强操作的装置;

5）一个控制每个电解槽上导管中气体流速的装置。

8、权利要求7中的装置的特征在于，测定温度的装置是一只设置在电解槽导管中的热电偶，例如（11）。

9、权利要求7中的装置的特征在于，控制气体流速的装置包括有一活门（17），它设置在导管中，并且可以统一基本上垂直于导管轴线的轴线转动，它基本上通过所述轴线。

10、权利要求7中的装置的特征在于，控制气体流速的装置包括有一阐板，它可以在一基本上垂直于导管轴线的平面移动。

11、权利要求7中的装置的特征在于，控制气体流速的装置包括有一个对导管某一部分进行可控缩紧的装置，该导管这一部分由某种柔性材料组成。

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