CN102203325A - 从铝电解槽提取热的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种从用于生产铝的电解槽提取更多热的方法和装置，以补偿随着安培数增大在电解槽中产生的额外的热，以及减小从电解槽消散到未净化气体中的热量。电解槽中的阳极组件包含与阳极杆(2)和阳极轭部(3)相连的阳极靶茎(1)，棒(4)从阳极轭部(3)起提供与碳阳极(5)的进一步的电接触。例如通过增加电解槽的上部结构(6)上方的靶茎的表面积、或者通过应用沿着靶茎循环的冷却介质来冷却阳极靶茎。阳极冷却可以与在上部结构内部的阳极靶茎处使用热隔离材料(7)相结合。

Description

从铝电解槽提取热的方法和装置
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
根据本发明描述的冷却阳极组件的一个主要目的是能够升高电解槽上的安培数同时在电解液相(bath phase)中维持侧挡(ledge)和端挡(冷冻的电解液)而不减少ACD，不增大棒和轭部的尺寸，并由此不增高未净化气体的温度。利用主动冷却从阳极去除热还将增加棒、轭部和靶茎作为使热离开产生最多热的极间距离的吸热件的效率。对此的理由是因为钢的特定的导电性和热传导性将增大并由此导致通过棒和轭部增大热损失，并且还因为将在材料(钢)中产生更少的内热。对具有主动冷却的阳极的热平衡模型计算已经显示出维持极间距离并保持侧挡恒定的安培数增大10％的可能性。
本发明的基本思想是从电解槽内部提取更多热，以及通过增加沿着阳极靶茎从电解槽传导的热量来减少消散到未净化气体中的热。可以通过改善沿着靶茎的传导性或者通过安装对流热传递电路(机械加工到靶茎的内部或者固定到靶茎上)来实现从电解槽去除热的增强。热传递流体被向下循环到轭部，在此处，轭部被加热。热传递流体将该热带回到上部结构的外部，热在这里被释放。可以通过制冷剂的相变(沸腾和冷凝)来增强热引入和释放。
根据本发明，可以去除影响电解槽的整体热平衡的数量的热。
根据所附权利要求利用本发明可以实现上述优点和其它优点。
附图说明
下面，将通过示例和图示进一步描述本发明，图中
图1概括地公开了阳极组件，
图2a-b公开了根据本发明的阳极靶茎的横截面视图的两个实施例，
图3公开了为下文中论述的四种情况计算的、显示沿着阳极靶茎的温度梯度的图示。
具体实施方式
在图1中公开了用于电解槽的阳极组件，该阳极组件包括阳极靶茎1，该阳极靶茎与阳极杆2以及阳极轭部3相连，棒4从阳极轭部3起提供与碳阳极5的进一步电接触。通过增加电解槽的上部结构6上方的靶茎的表面积、或者通过应用沿着靶茎循环的冷却介质来冷却阳极靶茎。阳极冷却可以与在上部结构下方(内部)的阳极靶茎处使用热隔离材料7相结合。
在图2a和2b中显示用于在阳极靶茎1内部安排介质输送的两个实施例。两个图显示可行的技术解决方案，这些技术解决方案还可以与阳极轭部的冷却(WO2006088375)相结合使用。
在图2a中，阳极靶茎1包含用于在顶部供应或再循环的冷流体的纵向管22，和用于来自靶茎底部或者来自轭部和靶茎底部的热流体的另一根纵向管23。纵向管23是带有热隔离部分24从而避免使得冷流体或者阳极靶茎自身被加热。这两根管可以制成如图2a中的两根平行的管或者如图2b中的两根同心的管。
在图2b中，阳极靶茎1’包含用于在顶部供应或再循环的冷流体的纵向管22’，和用于来自靶茎底部或者来自轭部和靶茎底部的热流体的另一根纵向管23’。这两根管同心地布置，它们之间设有隔离层24’。
优选的技术解决方案应该正如较早陈述的那样是流体，流体在靶茎的下部或者在阳极轭部内蒸发，并且在靶茎的上部冷凝。因为在阳极杆与靶茎之间存在相对大的接触表面，所以可以通过冷却阳极杆来提取来自靶茎顶部的热。如果供应给靶茎或者轭部的流体必须连续并且来自靶茎或者轭部的流体必须不连续，则这消除了阳极替换期间需要的额外工作。
在增高温度会导致不可接受的压力累积的情况下，应该为阳极靶茎设置安全阀。
可以通过泵或者压缩机迫使冷却介质循环。还可以通过浮力简单地触发循环。这是温差环流系统(thermosiphon)的经典概念。热传递流体在(轭部)底部被加热。热传递流体膨胀并流到顶部(电解槽外部)，在此处它被冷却。热传递流体的密度增大并且它落回到轭部。在这方面，业已发现，基于二氧化碳(CO2)的温差环流系统是尤其符合期望的。CO2是一种能够减少安全问题的惰性气体，并且热交换性质非常好。计算显示50巴(bar)下0.014kg/s的CO2在300℃的热侧(轭部)与维持在100℃的靶茎顶部之间可以承载3kW。如果热传递流体在大于临界压力(70巴)的压力下填充，则温差环流系统在跨临界模式中运行。可以实现冷侧与热侧之间非常大的密度差、和之后较大的流动而没有相变，这大大降低了不稳定的风险。
为确保较大的热提取，必须对上部结构上方的热传递流体进行冷却。存在着多种用以实现这种冷却的方式。最简单、但并非更有效的方式是利用冷却散热片来增加上部结构上方热传递线路(circuit)的表面积。这些散热片可以被喷射以例如水或者加压空气流。可以通过风扇、喷头喷出的压缩空气、或者通过任何其他适当的装置提供加压空气流。
一种更先进的解决方案是使热传递线路的顶部与外部冷却模块连结。可以通过适当的热交换器确保热传递流体与制冷剂之间的热交换。为增大对吊挂装置(hanger)顶部中的蒸汽的冷却，通过吊挂装置向上输送温热气体的管在吊挂装置顶部被加宽，即，对于小容器而言。该容器应该放在气流(current)从阳极杆进入吊挂装置的区域上方。
然而，需要打开冷却线路的解决方案可能是一种冗长乏味的操作。热传递的散热片与冷却线路之间的刚性接触是另一种可能性，即，安装在每个阳极吊挂装置顶部上的冷却罩将确保大的表面积和到冷却线路的良好热传输。
解决与替换阳极期间的连续和不连续相关的所有问题的一种选择方案是通过跨过电接触表面的传导而将热消散到阳极杆中。这可能需要阳极杆的冷却，这会导致增加的益处，例如阳极杆减小的欧姆电阻和更好的机械性能(增加了蠕变阻力)。
理论上，应该利用提取的热来发电。于是冷却线路优选是兰金刻度类型的，具有驱动发电机的膨胀涡轮。
从几个阳极靶茎提取的热可以收集起来并引导到方便地布置在电解车间外部的能量变换单元。
近来已经开发出热电子(thermionic)材料。安装在热传递线路的散热片上的这种材料将会确保冷却并将热变换成电，而无需复杂的连接。
正如由以上描述和论述已经清楚的那样，这种提取热的方式将增加安培数增大的可能性，并将减小随着安培数增大对更高的空气吸入速度的要求。但还应该提到：
●通过降低轭部和阳极吊挂装置内的温度，提高了通过吊挂装置和轭部的导电性，即节省了能量。
●本发明将有助于以比现今更低的水平来稳定吊挂装置和轭部内的温度，并且可以去除双金属接头。如果不去除双金属接头，则该结合将实行更长的时期。
●利用吊挂装置和轭部内更稳定的温度，通过测量吊挂装置的特定部分上的电压降，可以比现今更准确地间接测量通过各个吊挂装置的安培数的测量结果。
●由于阳极组件的冷却所致未净化气体温度的降低将导致电解槽中更低的压力，这导致为使电解槽内保持在一定负压之下而需要从电解槽吸出的标立方(Nm3)空气更少(降低散热片上的能量消耗)。
●从电解槽吸出较少的Nm3意味着在干式气体洗涤器系统上更小的尺寸(减少投资)。未净化气体的更低温度意味着对干式气体洗涤器中的过滤器袋更少的维护(减小维护成本)。
●从阳极组件向电解槽排出的热更少，将被引导通过罩并且引导到工作区域中的热更少，换言之，对于操作者的热压更小。在夏天或者在电解车间内具有高温的世界上的某些地方这是特别重要的。
●通过对阳极组件的冷却进行调节，将可能改变输入到电解槽中的净热。当电解槽系列中的电力在较短或较长时间内被减少时，可以通过从吊挂装置去除更少的热而使用这种方式。这样将减少由于缺乏足够的电力不得不关停的电解槽的数量。如果将具有增加的棒/轭部/吊挂装置尺寸的解决方案选择为用于增大安培数的手段，则不能这样做。
●还可以通过对在常规操作条件下而非将阳极向上和向下移动(功率脉冲(power pulsing))的条件下对输入到电解槽的效果(effect)进行调节来使用所提出的技术解决方案。如果电解槽需要更多的热，则从电解槽上的全部或者一些阳极组件去除更少的热，而如果电解槽需要更少的热，则从阳极组件比正常情况下去除更多的热。这样对阳极向上和向下运动(以增加或减少输入到电解槽的热)的需要将更少，并且因此保持更恒定的极间距离(ACD)将是可能的。通过保持ACD更加恒定，将减少电解液平面(bath level)中的波动，并且还将改善过程控制，因为阳极的运动通常将扰乱给予确定氧化铝的添加的调节器的电阻信号。
●通过冷却轭部，将减少对长阳极棒(通常为30cm)的需要，并因而由于棒中更低的电压降而可以减小特定的能量消耗。减少10cm应该不成问题。这还将增加来自棒的热损失。
●缩短棒的长度将允许更高的阳极而不增加上部结构的高度。(减少投资成本)
●更冷的阳极轭部将减少吊挂装置中双金属板的维护成本，因为双金属板内的温度更低；并且还由于轭部更少的热膨胀，减小了牛仔效应(cowboy effect)，和因此作用在棒上的更小的膨胀力。
●如果棒上的温度被降低，则由于棒上比阳极上更高的热膨胀导致的阳极裂缝的可能性将被减少。
●轭部上更低的温度还将使得在轭部中使用并非钢的其他材料更容易，例如比钢具有更高的热传导性和更高的导电性的铜。甚至还可以考虑铝轭部。
为了示出和强调本发明的主要思想和特征，制作了阳极靶茎及其环境的简化模型。该模型考虑了沿着阳极靶茎的热传导和从靶茎消散的热。使用单一的热传递系数计算从靶茎传递到环境的热，所述单一的热传递系数旨在包含传统的热传递和电磁辐射两者。正如已经指出的那样，并非要使该模型非常准确，但是仍认为结果比数量级估计好得多。在计算中，假设阳极靶茎下端与双金属板之间的边界是恒定的(280℃)。
考虑四种情况，如下面简要解释的那样，
情况1：靶茎上无热隔离，无额外的冷却(参考情况，现今的标准)。
情况2：靶茎上无热隔离，在离开下端1米处靶茎冷却到50℃。
情况3：靶茎在上部结构下方(内部)热隔离，并且在离开下端1米处被冷却到50℃。
情况4：靶茎在上部结构下方(内部)热隔离，但是无额外的冷却。
计算结果在表1(热流)中和图2(沿着靶茎的温度梯度)中给出。
当比较情况2和情况1(参考情况)时，人们观察到上部结构外部的靶茎的冷却致使传导到阳极靶茎内的热量增加。当然，如果阳极靶茎被冷却到更低温度，或者冷却到更接近于轭部，则这个效果甚至会更加显著。
情况3可比于情况2，除了靶茎在上部结构下方(内部)被热隔离。在这种情况下，传导到靶茎内的热量变得更低，但是另一方面，消散到未净化气体中的热被消除。因此隔离轭部是降低未净化气体温度的有效手段。然而，当比较情况3和情况4时，很清楚只有与冷却相结合才应该隔离靶茎，否则传导到靶茎内的热将会有相当大的减少。
实现阳极靶茎的冷却存在多种方式。最简单、但并非更有效的方式是增大上部结构上方的靶茎的表面积，即，给阳极靶茎提供冷却散热片。实现阳极靶茎的冷却的其他方式在上述实施例中进行了描述。然而，应该理解本发明的实现不限于这些实施例。
 情况1  情况2   情况3  情况4
  从轭部传导到靶茎  1211  1404   1121  610
  消散到上部结构外部  512  964   1121  610
  消散到未净化气体中  699  440   0  0
表1：如上文所述在四种不同情况下进出阳极靶茎的热流(W)。

Claims (16)

1.从用于生产铝的电解槽提取热的装置，所述电解槽包括上部结构，所述上部结构具有一个或多个悬挂的阳极，所述阳极通过阳极靶茎而悬挂，所述阳极靶茎的上端附连到阳极杆，并且所述阳极靶茎的下端附连到阳极轭部，
其特征在于，经由所述阳极靶茎提取热。
2.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，所述阳极靶茎被冷却。
3.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，在所述阳极靶茎处于所述上部结构内部的那部分应用热隔离。
4.根据权利要求2所述的装置，
其特征在于，通过增加所述靶茎的表面积使来自所述电解槽的上部结构上方的所述靶茎的热损失增加而发生所述冷却。
5.根据权利要求2所述的装置，
其特征在于，通过应用沿着所述阳极靶茎循环的冷却介质而发生所述冷却。
6.根据权利要求5所述的装置，
其特征在于，所述靶茎的部件中一体地设有单独封闭的冷却线路，可能的轭部和棒、或者它们的每一个中的各个线路通过相同的冷却介质直接或间接地将热传递到沿着所述阳极靶茎循环的冷却介质。
7.根据权利要求5所述的装置，
其特征在于，应用冷却介质，所述冷却介质是气体、液体、或者能够蒸发和冷凝的液体，特别是CO2，即，用以避免高压连接到冷却回路，使得阳极更换过程简单化。
8.根据权利要求5所述的装置，
其特征在于，通过自然对流或者通过使用泵或压缩机强制对流而使所述冷却介质循环。
9.根据权利要求1-8所述的装置，
其特征在于，热从所述阳极靶茎的下部输出、并且通过来自冷却散热片的自然对流而消散到电解车间中，所述冷却散热片优选为用水喷雾的、或者暴露于受压空气流。
10.根据权利要求1-8所述的装置，
其特征在于，热通过冷却剂从所述阳极靶茎的下部输出、并且消散到电解车间外部或者热交换器中，在热交换器处的热能够被回收以发电。
11.根据权利要求1-8所述的装置，
其特征在于，热通过冷却剂从所述阳极靶茎的下部输出、并且通过产生电的热电子材料而消散。
12.根据权利要求5所述的装置，
其特征在于，经由附连到所述靶茎外部、或者在所述靶茎内部的通道中的管而将所述冷却介质应用于所述靶茎。
13.一种从用于生产铝的电解槽提取热的方法，所述电解槽包括上部结构，所述上部结构具有一个或多个悬挂的阳极，所述阳极通过阳极靶茎而悬挂，所述阳极靶茎的上端附连到阳极杆，并且所述阳极靶茎的下端附连到阳极轭部，
其特征在于，经由所述阳极靶茎从所述槽提取热。
14.根据权利要求13所述的方法，
其特征在于，在根据权利要求1-12的装置的基础上执行所述方法。
15.根据权利要求13所述的方法，
其特征在于，通过传导到所述阳极杆中而从所述靶茎提取热。
16.根据权利要求14所述的方法，
其特征在于，所述阳极杆被冷却。
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