CN107059056B - 一种全自动高效清洁的铝电解槽 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动高效清洁的铝电解槽，包括设置在铝电解槽的槽壳上的阳极覆盖密封系统，同时配合性的开发全自动换出铝、换极、烟气余热回收体系，实现烟气中损耗热量的大幅回收及污染物的集中高效处理，有利于取得超低电耗、超低排放的运行效果，同时大幅度降低车间人员需求，解决了烟气所携带巨额能量与烟气回收缺乏手段(低温)的矛盾、污染物总量巨大与污染物浓度低难以治理的矛盾、大量的人工在恶劣环境下操作与自动化手段缺乏的矛盾，实现铝电解过程高温烟气的富集与烟气能量的高效回收，同时实现烟气内污染物的富集与集中处置，最终可实现铝冶炼全流程的超高能效(能量利用率>70％，吨铝能耗<10000kWh)、超低排放(主要污染物(如PFC等)排放降低90％以上)及全自动化(车间减员80％以上)。

Description

一种全自动高效清洁的铝电解槽

技术领域

本发明属于铝电解槽，具体涉及一种全自动高效清洁的铝电解系统。

背景技术

1886年，美国人Hall和法国人Héroult各自独立发明了冰晶石-氧化铝熔盐电解炼铝法，即Hall-Héroult炼铝法，揭开了现代铝电解工业的序幕，该工艺以Al₂O₃颗粒为原料，采用Na₃AlF₆熔盐为电解质，炭素材料作为阳极和阴极，在直流电的作用下，在950℃的高温下，通过电解得到金属铝。

Hall-Héroult炼铝法是迄今工业生产金属铝的唯一方法，当前工业铝电解工艺先后经历了小型预焙槽、侧部导电自焙槽、上部导电自焙槽、大型不连续预焙及连续预焙槽、中间下料预焙槽几个发展阶段，大致可划分为以下几个阶段：

第一阶段，自1980年开始，通过母线结构设计优化技术，再配合以点式下料及电阻跟踪的过程控制技术，铝电解系列电流强度突破175kA的壁垒，电解槽能在更合理的氧化铝浓度范围内工作，实现电解温度的降低，为最终获得高电流效率和低电耗创造了条件。

第二阶段，80年代中叶起，电解槽更加大型化，点式下料可达到2公斤氧化铝/次，采用单个或多个废气的捕集系统，并应用微机的过程控制系统，对电解槽能量参数每5秒钟进行采样，通过自动供料系统，减少了灰尘对环境的影响。

第三阶段，90年代至今，电解槽的技术发展日渐繁荣，主要特点表现在：高电流效率、低能耗(电解过程的能量效率接近50％，其余的能量成为电解槽的热损失而耗散)、长寿命及高稳定性。

我国电解铝工业可自1954年第一家铝电解厂(抚顺铝厂)投产算起，而上世纪80年代，贵州铝厂从日本引进全套160kA中间下料预焙铝电解技术给我国铝工业的发展带来了新机遇，可视为我国现代铝电解技术的起点。此后，相继自主研制成功了180kA～600kA数十种类型电解技术，在槽型规模、节能降耗与自动控制上取得了较大的突破。

尽管如此，目前我国铝电解工业仍然存在系列难题，主要表现如下：1)目前电解的能耗依然维持在较高的水平，平均交流电耗仍然高达13000kWh/t-Al，能源利用率尚在50％左右徘徊，其中大部分浪费在低温(300℃左右)海量的烟气中；2)由于阳极中的硫含量日益增加，烟气中的污染物也日益增多，但其大多浓度十分低，治理极为困难，铝电解的环保压力日益增大；3)电解过程还存在诸多必须电解工介入的人工操作环节，如出铝和换极操作等，这些过程不但劳动环境恶劣，还会给电解槽的正常稳定运行带来长时间的影响，目前尚无自动化解决方案；4)现有铝电解控制系统尚为对电解槽的一个独立控制单元，缺乏对铝电解全流程的感知与控制，其水平较低。

这些难题产生的原因大致可归纳如下：首先，一直以来，电解槽上部为氧化铝与电解质构成的一层厚实覆盖料和结壳体，且由于近年来工艺条件的苛刻，上部覆盖料非常厚(部分企业甚至将覆盖料盖到了阳极钢爪处)，这直接导致换极操作过程复杂、环境恶劣、持续时间长，其自动化亦难以实现；其次，槽上部为一个半开放式系统，尽管有盖板，但大多密封极差，漏气严重，且由于经常的打壳换极操作，无法做到良好的密封，这导致大量的空气被吸入到烟气中(比例高达90％以上)，从而大幅冲淡了污染物的浓度、降低了烟气的温度，这是电解槽最大的能源浪费点及污染物难处理的根源。为此，有必要对电解槽上部覆盖料进行革新，甚至取消上部覆盖料，进而用一个代替的可快速操作的覆盖解决方案，既可以让电解能够在一个密闭体系内进行，又可以加速换极过程(无打壳等过程)，并提升烟气温度及富集污染物浓度，实现烟气中损耗热量的集中回收及污染物的集中处理，最终达成电解槽工艺中原铝生产的大幅降低及污染物的超低排放。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有的铝电解槽存在的上述缺陷，提供一种新型的全自动高效清洁的铝电解系统，消除上部结壳对电解过程的妨碍作用，从而在大幅缩短换极时间的同时显著提高烟气温度并富集烟气中的污染物，在此基础上通过铝电解的全流程自动控制，实现铝冶炼全流程的高能效(能量利用率>70％，吨铝能耗<10000kWh)、超低排放(主要污染物排放降低90％以上)及车间减员80％以上。

本发明采用如下技术方案实现：

一种全自动高效清洁的铝电解槽，包括设置在铝电解槽的槽壳上的阳极覆盖密封系统，所述阳极覆盖密封系统包括支撑框架和若干阳极包覆单元，所述支撑框架罩装在铝电解槽的槽壳上方，所述支撑框架的侧面与铝电解槽的槽壳侧面通过侧部挡板密封固定，所述阳极包覆单元为罩壳结构，活动嵌装在支撑框架的顶部，将阳极炭块的上部分进行包覆，并对支撑框架顶部形成密封；

所述支撑框架内部设有氧化铝下料系统；

所述支撑框架上还固定设有烟气收集系统；

所述铝电解槽的槽壳与高温烟气和铝包组合输送系统连接。

将铝电解槽的上部空间进行有效地密封，通过对进入电解槽的外界空气进行精准控制，一方面可以获得大量的高温烟气(600～800℃)，解决电解过程烟气中的余热无法回收的难题，另一方面可以对污染物进行集中处理，大幅降低污染物排放。此外，由于铝电解槽内上部的高度密封，则无需覆盖氧化和电解质作为保温材料，也即无结壳的存在，还可以大幅度缩短换极时间。

进一步的，所述氧化铝下料系统包括固定在支撑框架内壁的氧化铝输送管和若干设有下料口的下料支管，所述下料支管之间与氧化铝输送管并联连接，所述氧化铝输送管为直通的管道，所述下料支管和氧化铝输送管的连接处设置氧化铝料室，所述氧化铝输送管的侧面设置溢出口与氧化铝料室连通。

将下料系统的下料点分散在电解槽的阳极间缝和中缝中，前提条件是采用上述的阳极覆盖密封系统，氧化铝必须直接加入到熔融电解质的表面，即不能有上部覆盖料和结壳，也不需要复杂的气缸和打壳系统。在全槽的阳极间缝和中缝的密封系统内，设置多组氧化铝的连续下料口(10～30个)，实现电解槽的氧化铝连续分布式精准下料，彻底解决槽内氧化铝浓度分布不均匀及自动下料的难题。

进一步的，所述烟气收集系统包括若干组烟气管道和烟气收集室，所述烟气收集室密封罩装在支撑框架上，并通过支撑框架上的通道与铝电解槽的槽壳内部连通，所述烟气管道与烟气收集室连接，向外输出铝电解槽内产生的高温烟气。

进一步的，所述高温烟气和铝包组合输送系统包括分别输送高温烟气和铝包的输送管道，所述输送管道为内外两层管道，其中内管道为铝包输送管道，分别连接铝电解槽的槽壳和熔铸车间，内管道内设有与铝电解槽下部的出铝口对接的出铝管，其内设有自动出铝包和铝包自动输送组件；外管道套设在内管道外，并与内管道外壁形成用于输送高温烟气的环形截面管腔，所述烟气收集系统的烟气管道与外管道连通。

利用烟气的余热维持出铝后的铝水的温度，并实现其自动输运，即提出高温烟气与铝包综合自动输运系统，通过将烟气汇集传输管道为两层设计，内层为一个圆形或方形的空间，其内部装有链式输运系统，用于小型自动出铝包的输运，从而实现槽内高温烟气(600～800℃)与熔融铝液(850～950℃)相互保温。

进一步的，所述铝电解槽的槽壳的外壁还贴设有若干串联连接的热交换器，所述热交换器通过支烟管与烟气收集系统的烟气管道并联形成回路，所述支烟管上设有流量控制阀，通过铝电解产生的高温烟气(600～800℃)对铝电解槽内部进行保温。

进一步的，所述铝电解槽的槽壳的上方还设有自动换极系统，包括具有竖直升降自由度和水平面内任意位置直线运动自由度的自动换极机械臂；

所述自动换极机械臂的执行终端设有第一定位元件和用于固定夹持阳极导杆的夹紧元件、用于锁紧或解锁阳极卡具的套筒扳手，所述套筒扳手通过伸缩机构设置在自动换极机械臂上，所述夹紧元件、伸缩机构以及套筒扳手均为电动控制的自动执行件。

进一步的，所述阳极包覆单元通过自动开启装置设置在支撑框架上，所述自动开启装置包括电动驱动元件，所述电动驱动元件固定安装在铝电解槽的槽壳上，所述阳极包覆单元与支撑框架滑动装配，所述电动驱动元件的输出端与阳极包覆单元连接，驱动阳极包覆单元沿支撑框架向外滑动露出阳极。

在将阳极覆盖料取消后，通过活动的阳极覆盖单元，将现有天车与自动换极机械臂结合，设计一种自动换极机械臂，结合阳极精准定位系统，通过对残极进行自动定位，快速的进行阳极自动更换，整个过程可缩短到2～5分钟，通过槽控机实现换极过程的快速无人化。

进一步的，所述烟气收集系统的烟气管道与高温烟气余热回收及深度净化系统连接，所述高温烟气余热回收及深度净化系统包括余热回收模组、发电模组、有机朗肯循环换热器和除尘净化模组；其中，所述余热回收模组的进气端与高温烟气进口连接，出气端与除尘净化模组连接，余热回收模组内部的换热介质管道出口与发电模组连接，所述发电模组与有机朗肯循环换热器串联连接，所述有机朗肯循环换热器通过冷凝器回流分离后分别连接至余热回收模组与有机朗肯循环换热器的换热介质管道进口。

高温烟气余热回收及深度净化系统利用高温烟气所富含的热量，对其热量进行烟气的余热回收，进而应用烟气净化系统对其中的高浓度杂质(如二氧化硫等、含氟粉尘)进行集中处理与回收，实现烟气的深度净化。

在本发明中的一种全自动高效清洁的铝电解槽中还包括槽控机，所述槽控机与布置在铝电解槽内部的阳极电流检测单元、槽温分布检测单元及烟气温度检测单元通过信号连接，同时还与氧化铝下料系统、高温烟气和铝包组合输送系统、热交换器、自动换极系统、高温烟气余热回收及深度净化系统的传感元件及电动执行元件通过信号连接。

由于现有铝电解工艺的控制系统被切割成一个个孤立的部分，其槽控机仅仅控制铝电解槽，仅对出铝计划等进行控制，也就是说电解的全流程的自动化程度是较低的。造成这种状况的主要原因一方面在于现有铝电解工艺的特点，即部分操作必须人工完成，如出铝和换极等；另一方面在于电解槽感知系统的缺乏，导致控制算法难以实现全流程整体控制与优化。

本发明提出的阳极密封覆盖系统将所有操作的机械自动化变成可能，同时结合在电解槽关键部位安装感知系统，完成电解槽的全数字化感知，再结合分布式氧化铝下料算法、自动精准出铝及换计算法、烟气流量与热平衡控制算法，实现电解槽的全流程全自动化控制，实现铝电解生产全流程的自动化。

由上所述，本发明具有如下有益效果：

本发明通过对铝电解槽上部覆盖保温体系的创新，同时配合性的开发全自动换出铝、换极、烟气余热回收体系，实现烟气中损耗热量的大幅回收及污染物的集中高效处理，有利于取得超低电耗、超低排放的运行效果，同时大幅度降低车间人员需求，解决了烟气所携带巨额能量与烟气回收缺乏手段(低温)的矛盾、污染物总量巨大与污染物浓度低难以治理的矛盾、大量的人工在恶劣环境下操作与自动化手段缺乏的矛盾，实现铝电解过程高温烟气的富集与烟气能量的高效回收，同时实现烟气内污染物的富集与集中处置，最终可实现铝冶炼全流程的超高能效(能量利用率>70％，吨铝能耗<10000kWh)、超低排放(主要污染物(如PFC等)排放降低90％以上)及全自动化(车间减员80％以上)。

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为实施例中的一种可控铝电解槽阳极覆盖密封系统的结构示意图。

图2为实施例中的支撑框架的具体示意图。

图3a为实施例中的阳极包覆单元顶面示意图。

图3b为实施例中的阳极包覆单元底面示意图。

图4a为实施例中的阳极包覆单元顶部和阳极导杆之间的装配示意图。

图4b为实施例中的阳极包覆单元底部和阳极炭块之间的装配示意图。

图5为实施例中的支撑框架和烟气收集系统的装配示意图。

图6a为实施例中的烟气收集系统的顶部示意图。

图6b为实施例中的烟气收集系统的底部示意图。

图7为实施例中的烟气收集系统的分解示意图。

图8为实施例中的烟气收集室的侧板板材结构示意图。

图9为实施例中的一种铝电解槽全覆盖分布式氧化铝下料系统与铝电解槽的骨架连接示意图。

图10为实施例中的下料系统结构示意图。

图11为实施例中的下料系统的氧化铝料室局部示意图。

图12为实施例中的氧化铝输送管和下料送风管外部示意图。

图13为实施例中的氧化铝料室内部示意图。

图14为实施例中的氧化铝输送管和下料送风管截面示意图。

图15为实施例中的下料系统氧化铝和空气流动示意图。

图16为实施例中的输送管道连接铝电解槽和熔铸车间的示意图。

图17为实施例中的输送管道内部结构示意图。

图18为实施例中的铝电解槽保温装置的结构示意图。

图19为实施例中的烟气管路和进气支烟管、回流支烟管之间的位置关系示意图。

图20为实施例中的热交换器和铝电解槽的槽壳之间的安装示意图。

图21为实施例中的热交换器的结构示意图。

图22为实施例中的自动换极机械臂的示意图。

图23为实施例中的槽盖板自动开启装置示意图。

图24为实施例中的阳极输送装置示意图。

图25为实施例中的阳极在阳极输送装置上的示意图。

图26为实施例中的天车、阳极输送装置相对铝电解槽的布置示意图。

图27为实施例中的一种高温烟气余热回收及深度净化系统连接示意图。

图28为实施例中的铝电解槽的自动流程控制示意图。

具体实施方式

实施例

参见图1至图8，图示中的可控铝电解槽阳极覆盖密封系统为设置在本实施例的铝电解槽上的优选是方案，包括支撑框架12以及若干阳极包覆单元11(图示中为了展现支撑框架内部结构，仅表示其中的一个阳极包覆单元)，其中，支撑框架12为若干不锈钢杆件焊接形成的罩装在铝电解槽上方的框架结构，在支撑框架12的侧面与铝电解槽的槽壳的侧面之间通过侧部挡板密封固定，支撑框架12的顶部由若干平行分布的不锈钢杆件焊接形成，阳极炭块8分布在支撑框架12顶部的间隙之间，连接的阳极导杆81从支撑框架12的间隙之间伸出与阳极母线连接，阳极包覆单元11罩装在阳极炭块8上，同时嵌装在支撑框架的顶部，将阳极炭块8的上部分进行包覆，并对支撑框架12的顶部形成密封。阳极包覆单元11可相对于阳极炭块8自动打开，用于对阳极进行自动换极，具体的打开方式参见下方的自动换极系统。

具体结合图1和图2，在支撑框架12的侧面分别焊接固定有大面侧部挡板13和小面侧部挡板14，并在支撑框架12的内部沿平行于大面的中心线平行对称设置两组中缝挡板15，其中，大面处的支撑框架12下半侧与大面侧部挡板13固定，小面处的支撑框架12侧面完全与小面侧部挡板14密封固定，即小面侧部挡板14的高度与支撑框架12的顶面平齐，大面侧部挡板14的高度低于支撑框架12的顶面，留出的高度差通过阳极包覆单元的罩壳侧面填补，完成对支撑框架12侧面整体的密封设置。中缝挡板15将支撑框架12内部分为对称的两组阳极炭块布置空间，铝电解槽内的阳极对称分布在中缝挡板15的两侧。

支撑框架12焊接固定在铝电解槽的槽壳上方，完全覆盖铝电解槽的槽壳上方。支撑框架12的高度为0.8-1.5米，根据下料等其他具体部分调整，支撑框架12的顶面高度要不能低于放置在铝电解槽内部的阳极炭块的高度，保证完全覆盖阳极上方。阳极炭块放8入铝电解槽后，阳极炭块的内侧紧靠中缝挡板15，阳极包覆单元11从大面侧部挡板上方侧插嵌入支撑框架12的顶部，在外侧包裹住阳极炭块8的上部，使烟气无法进入阳极包覆单元的罩壳内，同时保证了该系统的密封性。

结合参见图3a和图3b，本实施例中的阳极包覆单元11为一罩壳结构，通过不锈钢板材拼装设置，阳极包覆单元11的罩壳内部空间与阳极炭块8匹配，在阳极包覆单元11的底部设有供阳极炭块穿过的阳极炭块孔112，在阳极包覆单元11的顶部设有供阳极导杆81穿过的阳极导杆孔111，保证阳极炭块8和阳极导杆81的正常安装。

在阳极包覆单元11靠近中缝挡板15的一侧面开口，并且将阳极导杆孔111和阳极炭块孔112向该侧面延伸至开口，便于在安装阳极包覆单元11时，通过开口将阳极包覆单元罩装在阳极炭块上。在设置开口的阳极包覆单元侧边上设有中缝挡板插销113，在中缝挡板15上设有对应的中缝挡板插孔151，在将阳极包覆单元11从外向内罩装在阳极炭块上后，将中缝挡板插销113和中缝挡板插孔151插装，通过阳极包覆单元11的罩壳结构与中缝挡板15围成相对于阳极炭块8上部的密封空间，中缝挡板15在安装时应保证其与阳极炭块8之间相距0.1-0.3cm。

在不设置自动换极的铝电解槽上，可直接在阳极包覆单元11的两侧和支撑框架12框架之间分别设有导向和支撑的定位台阶114、121，阳极包覆单元11的顶面整体略宽于支撑框架顶部的间隙，保证阳极包覆单元不会掉入电解槽中，同时在阳极包覆单元11与支撑框架12嵌装后，还能保持支撑框架12顶部的平整。

如图4a和4b所示，在将阳极包覆单元11包覆罩装在阳极炭块8上后，顶部的阳极导杆孔111仍有部分开口，外部空气会通过该处混入铝电解槽内，本实施例在此盖设阳极导杆孔盖板16，将露出的阳极导杆孔111封闭。

阳极包覆单元11在阳极炭块8放入铝电解槽后，从支撑框架12的大面侧嵌插入密封系统，阳极炭块8底部通过阳极炭块孔112伸入电解槽中参与电解反应，阳极导杆81通过阳极导杆孔111与阳极母线相连，阳极包覆单元11与中缝挡板15共同包裹住阳极炭块上部，阳极包覆单元11的底部与中缝挡板15共同构成的空间内壁与距阳极炭块8之间保持0.1-0.4cm的间隙，保证阳极可上下移动，并且烟气难以进入阳极包覆结构中，保护钢爪，随后将阳极导杆孔盖板16覆盖在阳极导杆孔111。阳极包覆单元11应保证阳极炭块8在消耗至最低高度时，其底部阳极炭块孔112与阳极炭块8之间仍保持良好密封，阳极包覆单元11的高度应根据不同电解槽所使用的阳极炭块尺寸确定。

本实施例中的中缝挡板15之间的支撑框架12顶部，可采用盖板覆盖，也可安装铝电解槽的烟气收集系统、下料系统。

本实施例以设置有上述可控铝电解槽阳极覆盖密封系统的铝电解槽为例，对在支撑框架12上设置烟气收集系统2进行说明。

结合参见图5、图6a和图6b，本实施例中的烟气收集系统2包括若干组烟气管道21和烟气收集室22，其中烟气收集室22密封罩装在中缝挡板之间的支撑框架12上，通过中缝挡板之间的通道与铝电解槽内部连通，烟气收集室22再通过烟气管道21与铝电解厂主烟气管道连接，通过烟气收集处理系统对烟气中的余热进行回收利用后进行处理排放。

具体如图7所示，烟气收集室22包括可拼装的收集室长边侧挡板221、收集室短边侧挡板222和收集室顶部挡板223，其中收集室长边侧挡板221的侧边和收集室短边侧挡板222的侧边之间设置相互配合的连接螺柱224和连接孔225进行固定拼装，收集室长边侧挡板221的顶边以及收集室短边侧挡板222的顶边分别与收集室顶部挡板223的侧边之间设置相互配合的连接螺柱224和连接孔225进行固定拼装。

烟气收集室22的底部不设置挡板，形成图6b中的收集室底部通道孔226，收集室底部通道孔226的宽度与中缝挡板之间的宽度一致，烟气收集室22通过收集室底部通道孔226与铝电解槽内部对接，收集室底部通道孔226的侧边焊接在支撑框架的不锈钢结构骨架上，并且与中缝挡板无缝对接。在收集室顶部挡板223上设有烟气收集管道连接孔2231，对应的在烟气管道21端部设置烟气管道连接法兰211，烟气管道21通过法兰连接与烟气收集管道连接孔2231固定连通。

在烟气管道21与主烟气管道的相连处设有流速电子阀门，用于控制烟气流速，该电子阀门与铝电解槽控制系统连接，通过烟气流速、温度的监控与建模计算，获得电解槽内热评和状态信息，从而对该阀门实现精准控制。

在实际生产应用中，烟气管道21和烟气收集室22的数目与铝电解的容量、阳极数目有关，对于大型铝电解槽，需保证但不限制于4-8个烟气收集室，以保证烟气排出效果。

如图8所示，烟气收集室22的收集室长边侧挡板221、收集室短边侧挡板222和收集室顶部挡板223采用复合板材，包括有三层结构，其中内部与烟气接触，采用耐高温、耐腐蚀的镁铝尖晶石材料的内衬层2201，中间为支撑层2202，可采用不锈钢板材作为支撑，外部与空气接触，采用普通保温材料支撑的保温层2203。

支撑框架12上固定的大面侧部挡板13、小面侧部挡板14同样可采用上述复合板材，对应的支撑框架12的本体骨架以及中缝挡板15则可采用不锈钢材质，并在外表面涂设铝镁尖晶石结构层，以防止高温烟气及电解质对不锈钢的侵蚀。

在安装烟气收集系统时，首先将气体收集室22组装完成，挡板之间采用螺丝固定，在相互接触处设有沟槽以保证密封性。然后将气体收集室22整体焊接在可控铝电解槽阳极覆盖密封系统的支撑框架12的中缝处不锈钢结构骨架之上，在气体收集室22装完成之后，再将烟气管道21与气体收集室22相连，每个气体反应室都采用独立的烟气管道与主烟气管道相连，保证电解槽每个区域烟气排出效果良好。

参见图9至图15，对本实施例采用图1中的阳极覆盖密封系统的铝电解槽设置的全覆盖分布式氧化铝下料系统5进行详细说明，下料系统5具体包括氧化铝输送管51、下料送风管52、氧化铝料室53、下料支管54、主氧化铝送风管55、下料支管送风管56等管道组成，其中，氧化铝输送管51和下料支管54为氧化铝粉的主要输送管道，若干下料支管54的一端分别通过氧化铝料室53与氧化铝输送管51连通，氧化铝输送管51和下料支管54均采用超浓相气态输送方式，氧化铝输送管51一端封闭，另一端与电解铝厂的氧化铝输送系统相连，氧化铝粉从外部通过氧化铝输送管51进入氧化铝料室53，在压力作用下均匀从氧化铝料室53输送进入下料支管54，经下料口59进入电解槽的电解质中，完成下料。氧化铝的下料可通过槽控机对铝电解槽内部的电介质液面进行反馈控制，实现精准下料。

下料支管54一端通过氧化铝料室53与氧化铝输送管连接，另一端延伸铝电解槽内部，若干下料支管54之间与氧化铝输送管并联连接，下料支管54延伸分布在铝电解槽内部阳极之间的间缝内，同时，在同一阳极间缝中设置一长一短两组下料支管54，一长一短两组下料支管54之间并排设置，并通过同一氧化铝料室与氧化铝输送管连通，两组下料支管54的下料口分别位于下料支管远离氧化铝输送管的端部，提高阳极间缝内的下料均匀性。

考虑到不同槽型容量不同，大容量电解槽在设置阳极密封系统的电解槽框架1内，沿电解槽的中间长度方向设置集气罩，同时在集气罩的两侧排布阳极，为了保证下料的均匀，如本实施例的图9和图10中所示，应在集气罩的两端安装两套下料系统5以保证下料的均匀，即在该种电解槽框架的结构中，采用两组平行的氧化铝输送管51分别沿集气罩两侧平行对称布置，每组氧化铝输送管51连接的下料支管向集气罩两侧的铝电解槽空间延伸。

具体如图11和图12所示，氧化铝输送管51为一直通管，其侧壁上设有若干溢出口58，氧化铝料室53设置在氧化铝输送管51的外壁，通过溢出口58与氧化铝输送管51内部连通，氧化铝输送管51内的氧化铝粉在气流输送作用下从溢出口58进入到氧化铝料室5中，下料支管54与氧化铝料室53的底部连通，这样即使其中一个氧化铝料室发生了堵塞，也不会造成整个氧化铝输送管51内部氧化铝粉输送的停滞。

氧化铝粉在氧化铝输送管和下料支管中均采用气流输送，本实施例的氧化铝输送管51和下料支管54还分别设置有送风管，结合图13和图14所示，氧化铝输送管51内部通过带孔隔板57分层设有主氧化铝送风管55，主氧化铝送风管55与送风系统连接，通入的空气气流与氧化铝输送管51内的氧化铝粉进行气态输送。由于主氧化铝送风管55和氧化铝输送管51之间通过带孔隔板57分层，主氧化铝送风管55和氧化铝料室53之间不用连通设置。另外还单独设置一个下料送风管52，下料送风管52与氧化铝输送管51之间平行布置，其上并联连接若干下料支管送风管56，下料支管送风管56位于下料支管54下侧，下料支管54和下料支管送风管56之间同样通过带孔隔板57隔开设置，由下料送风管56内部的气流推送下料支管54内的氧化铝粉由下料口59进入电解槽中。

如图15所示，图15中的虚线箭头为氧化铝粉的流动方向，实线箭头为空气气流流动方向，氧化铝粉从氧化铝输送管51侧壁的溢出口58进入到氧化铝料室53中，然后进入下料支管54内，通过下料支管54从下料口59进入电解槽，气流分为两部分，其中一部分气流沿主氧化铝送风管55将氧化铝输送管51内氧化铝吹入氧化铝料室53内，另一部分气流沿下料送风管52吹入下料支管送风管56，对送入到下料支管54内的氧化铝粉进行吹送。

本实施例中下料系统5的管道全部采用不锈钢管，通过焊接固定在不锈钢框架1的下方，下料支管54的下料口59等距离的分布在铝电解槽小面侧，下料支管54应该分布覆盖全部阳极间缝，实现下料口全面覆盖并且均匀地分布在铝电解槽内。由于下料系统与电解槽内的高温电解质的距离较近，因此下料系统的管道外表面均设有耐腐蚀耐高温的镁铝尖晶石材料覆盖层。

由于需要固定安装在电解槽可控阳极覆盖密封系统的电解槽框架1下方，因此需要先行安装铝电解槽可控阳极覆盖密封系统。安装本系统时需要分批次安装，焊接固定。首先将氧化铝输送管51安装在可控铝电解槽阳极覆盖密封系统中缝处的长不锈钢骨架下方，在氧化铝输送管51相应位置安装氧化铝料室53，安装下料送风管52，在每个间缝的不锈钢骨架下方安装下料支管54，并与氧化铝料室53之间固定完成，检查连接处的密封性和通畅性，随后与电解铝厂的氧化铝输送管道相连，检查每个下料口的氧化铝下料量即可完成安装。

以下结合图16至图17，对本实施例的铝电解槽的高温烟气和铝包组合输送方案进行说明，其中包括用于输送铝包和高温烟气的输送管道4以及自动出铝包3、出铝管31、出铝轨道32，其中，输运管道4为两层复合结构，包括内外套装的内管道41和外管道42，其中内管道41内部用于铝包输送的管道，分别连接铝电解槽1和熔铸车间100，内部设有铝包自送输送组件，实现自动出铝包将铝电解槽1中的熔融铝液自动输送至熔铸车间100，外管道42套设在内管道41外，与内管道外壁之间形成用于输送高温烟气的环形截面管腔。

关于输送管道4与电解槽之间的连接关系如下：外管道42与烟气收集系统的烟气管道21相连接，烟气管道21与铝电解槽上部的集气罩相连接，用于将铝电解槽内部的高温烟气输送至外管道42和内管道41之间的环形管腔；内管道41与出铝管31相连接，出铝管31一端与铝电解槽下部的出铝口相连接，另一端延伸至出内管道内部，内管道41内设有若干自动出铝包3以及用于自动出铝包输送的铝包自动输送组件，自动出铝包3通过铝包自动输送组件移动至出铝管31下方与之对接，电子阀门打开将铝电解槽中的熔融铝液输出到自动出铝包3中，然后自动出铝包3通过铝包自动输送组件移动至熔铸车间实现熔融铝液的转运，在转运过程中，外管道42和内管道41之间充斥的高温烟气与内管道41输送的熔融铝液形成相互保温的作用。

输送管道4的外部通过支架等固定装置设置，以便稳定并固定管道，在输送管道4的外管道42外包裹着一定厚度的保温棉，这样一方面能进一步的减少热损失，另一方面也能很好地保护管道减少人为或自然破坏。输送管道4远离熔铸车间的一端设有封闭门，使内管道和外管道的内部基本上呈封闭状态，封闭门也为检修提供便利，另一端与连至熔铸车间，这样自动出铝包便能直接的将铝液从电解车间运送至熔铸车间，降低了人力人本。

在实际生产中，输送管道4可将多组铝电解槽进行并联，输送管道4可采用多节拼装，每一节输送管道4对应一组铝电解槽，每节输送管道(包括内管道和外管道)的拼接处做好密封处理，防止高温烟气向外泄露或者向内管道内泄露。具体关于管道的拼接及密封处理为常规技术，本实施例在此不做赘述。

具体的，本实施例中的外管道42的壳体采用金属外壳，其管道内部设有由耐火保温材料绕管壁铺设而成的内衬，外管道42与烟气管道21相连通，而烟气管道21与铝电解槽上部的集气罩连接，这样铝电解槽排出的高温烟气便能对内管道41进行保温作用，另外内衬铺设的耐火保温材料也能减少烟气的热量散失，铝电解产生的高温烟气经过烟气管道21、外管道42最后排至高温烟气余热回收及深度净化系统，对烟气进行进一步地处理。

内管道41的壳体同样采用金属外壳，在内管道41与外管道42之间设有一定数量的支架，以对内管道41和外管道42之间进行固定支撑。内管道41的内部设有自动出铝包3、铝包自动输送组件和出铝管31，出铝管31与铝电解槽下部的出铝口相连接，出铝管31的外端设置电子阀门以控制自动出铝，电子阀门与铝电解槽的槽控机通过信号连接，可根据铝电解槽内部的熔融铝液的液位进行反馈控制。

本实施例中的自动出铝包3为金属外壳，内壁设有由耐火材料制成的内衬，这样可防止高温的熔融铝液对自动出铝包3造成损伤。铝包自动输送组件包括铺设在内管道底部的出铝轨道以及设置在自动出铝包底部的行走机构和定位传感器，可由槽控机控制自动完成出铝及铝液输送过程。出铝轨道32沿内管道41的长度方向水平铺设，由铝电解槽所在车间铺至熔铸车间，其主要为自动出铝包3提供运动路径。

本实施例的自动出铝及输送铝液的过程如下：当铝电解槽中的熔融铝液达到一定液位时，槽控机控制电子阀门，打开出铝管31，同时槽控机也控制自动出铝包3底部的传动机构，将自动出铝包3运动到相应的出铝管位置进行对接出铝，当铝电解槽铝液液位低于一定液位时，槽控机控制电子阀门关闭，出铝结束，然后传动机构将自动出铝包3沿出铝轨道32运至熔铸车间进行进一步加工，自动出铝包3通过定位传感器实现自动定位出铝，关于自动出铝包的行走机构和定位传感器均为常规的铝电解自动出铝控制技术，本实施例在此不做赘述。

结合参见图18至图21，本实施例中的铝电解槽外部还设有利用电解产生的高温烟气的保温装置，具体包括由进气支烟管101、回流支烟管102以及若干热交换器104形成的保温回路，该保温回路利用电解槽的高温排放烟气通过铝电解槽1的槽壳的外侧壁对电解槽内部进行保温。

进气支烟管101和回流支烟管102采用长度不小于1-2米的直管与烟气收集系统的烟气管道21连接，其具体的连接设置方式如图19所示，顺着烟气管道21的烟气排放方向引出进气支烟管101，进气支烟管101内的烟气流动方向与烟气管道内的烟气流动方向之间的夹角α小于30°，为了便于烟气管道21内的高温排放烟气能够顺利进入到进气支烟管101内，进气支烟管101设有一截进气支烟管伸出段1011位于烟气管道21内；回流支烟管102同样顺着烟气管道内的烟气排放方向与烟气管道21引入连接，回流支烟管102内的烟气流动方向与烟气管道内的烟气流动方向之间的夹角β小于30°，避免回流的烟气对烟气管道内的烟气形成扰动，同样的，回流支烟管102设有一截回流支烟管伸出段1021位于烟气管道21内。

进气支烟管101上设有流量控制阀102，该流量控制阀102与电解槽控制系统的热平衡监控模块通过信号反馈连接，通过电解槽内部的温度及能耗监控信号，在铝电解控制系统的作用下，基于电解槽的热平衡动态计算，对进入热交换器的高温排放烟气流量大小进行自动控制，实现利用烟气的余热对电解槽内部的热平衡进行动态调节作用。

具体的，本实施例中的热交换器104主要布置在铝电解槽1的槽壳的两个大面，两个大面的热交换器104之间依次串联连通，两个大面端部的热交换器104分别与进气支烟管101和回流支烟管102固定连通。如图20和图21所示，本实施例中的热交换器104采用板式热交换器，板式热交换器为具有内部空腔的平板式金属壳体，采用耐高温(800℃以上)、抗氧化、耐腐蚀、导热迅速的金属材质，该金属壳体一侧外壁通过焊接紧贴铝电解槽1的槽壳的侧面上，其上均设有热交换器气体入口1041和热交换器气体出口1042，排放烟气从热交换器气体入口1041进入热交换器，从热交换器气体出口1042流出，流经热交换器内部腔体的高温排放烟气通过热交换器的壳体与铝电解槽的槽壳进行热交换，实现对电解槽的保温。同一大面的相邻热交换器的热交换器气体入口和热交换器气体出口依次通过热交换器连接管105固定串联，两个大面的同一端热交换器的热交换器气体入口和热交换器气体出口通过端部连接管106连通，两个大面另一端热交换器的热交换器气体入口和热交换器气体出口分别与进气支烟管101和回流支烟管102固定连通。烟气通过进气支烟管101流入靠近电解槽进电端或出电端的的第一个热交换器气体入口，流过热交换器内腔后由该热交换器气体出口再经过热交换器连接管105进入到下一个热交换器，换热后的排放烟气由此流经电解槽两个大面的所有热交换器后再由回流支烟管102回流输送到烟气管道21，随电解槽的排放烟气统一排放。实际应用中，也可将经过换热器换热后的排放烟气经过单独的烟气处理系统进行单独排放。

本实施例中的板式热交换器的中间壳体设有宽为0.5～1cm的竖直狭缝1043，该狭缝1043将板式热交换器形成n型或u型内腔，同一热交换器的热交换器气体入口1041和热交换器气体出口1042分别设置在狭缝1043的两侧，这样设置用于控制热交换器内烟气的流经路线，使烟气充满整个热交换器，延长了高温排放烟气在热交换器内腔停留的时间，提高了与铝电解槽的槽壳的换热效率。

考虑到铝电解槽1的槽壳的外壁还设有阴极钢棒1001并且需要与摇篮架1002等外部固定支架连接，在实际应用中，在铝电解槽1的槽壳连接的每两个相邻摇篮架1002之间、阴极钢棒1001上部的侧部槽壳区域设置一个热交换器104，不与摇篮架1002和阴极钢棒1001发生接触，相邻的热交换器之间的热交换器连接管105采用U型连接管，热交换器连接管105和端部连接管106均采用耐高温(800℃以上)、抗氧化、耐腐蚀的金属管，分别与热交换器气体入口1041和热交换器气体出口1042焊接密封。本发明的热交换器的数量和尺寸大小均根据电解槽的实际情况而制作，相邻热交换器之间的热交换器连接管105形状不受图5所限制，连接管只需绕过摇篮架上部，并且保证与热交换器的进口和出口能密封对接即可。

由于电解槽排放烟气中存在少量的粉尘，本实施例将热交换器的底部设置成两边向中间倾斜向下的漏斗结构，在漏斗结构的底端连接降尘室1044，用于积累收集排放烟气中夹带的少量粉尘。

上述保温装置使得部分烟气的热量合理地用于对电解槽侧部的保温，减少铝电解槽的槽壳散热，有利于电解槽的低能耗稳定运行。同时在进气支烟管上装有流量控制阀，用于控制进入热交换器的烟气流量大小，在对电解槽侧部进行保温、使电解槽低能耗稳定运行的同时，实现对电解槽的热平衡调节。

以下结合图22至图26对本实施例中的铝电解槽设置的自动换极系统进行详细说明。该自动换极系统具体包括由第一定位元件61、夹紧元件62、伸缩机构63、套筒扳手64、机架65构成的自动换极机械臂，驱动自动换极机械臂实现竖直升降自由度和水平面内任意位置直线运动自由度的天车67，由第二定位元件66、输送机68、托盘69、阳极堆垛区611、挡边613构成的阳极输送装置，由阳极包覆单元11、电动驱动元件612构成的槽盖板自动开启装置。

具体如图22所示，自动换极机械臂通过机架65与天车的起吊端连接，通过天车67带动自动换极机械臂升降和平移，在机架65上设有夹紧元件62，夹紧元件62采用电动、液压或气动控制的夹爪，用于夹紧阳极炭块8上的阳极导杆81，通过夹紧阳极导杆81对阳极炭块8进行升降移动。

在机架65上还设有第一定位元件61，通过第一定位元件61可准确的将自动换极机械臂移至阳极导杆81的正上方。第一定位元件61可采用反射式位置传感器。

在机架65上还通过伸缩机构63设置套筒扳手64，在夹紧元件62夹紧阳极导杆后，通过伸缩机构63移动套筒扳手64对准阳极导杆81上固连的阳极卡具82，阳极卡具82为将阳极与铝电解槽连接的固定装置，其通过螺栓连接将阳极卡具82和阳极导杆81固定，伸缩机构63采用电动伸缩杆、液压伸缩杆或气动伸缩杆，套筒扳手64同样采用电动、液压或气动驱动的自动套筒，在夹紧元件62夹紧阳极导杆81后，设定好伸缩机构63的伸缩运动方向，能够直接将套筒扳手64对准阳极卡具上的螺栓进行锁紧或解锁。

夹紧元件62、伸缩机构63以及套筒扳手64的均通过电信号与铝电解槽的槽控机连接，通过槽控机发出对应的控制信号，依次控制夹紧元件63的夹紧和松开、伸缩机构63的伸缩动作以及套筒扳手64对螺栓的锁紧和解锁，实现电动控制自动换极机械臂对阳极和电解槽之间的连接和分离。

为了实现全自动换极，本实施例还在阳极上方设置有槽盖板自动开启装置，具体如图23所示，铝电解槽上方阳极覆盖密封系统阳极包覆单元11滑动嵌装在其支撑框架12上，在铝电解槽1的侧壁槽壳上方通过机座设置电动驱动元件612，电动驱动元件612采用直线驱动机构(如丝杆机构或齿轮齿条机构)，其驱动端与阳极包覆单元11连接，操控阳极包覆单元11沿支撑框架12向外侧滑动，将其包覆的阳极炭块8露出，实现在换极前打开阳极包覆单元、在换极后关闭阳极包覆单元。电动驱动元件612可采用减速电机，减速电机的输出轴连接直线驱动机构的主动端(如丝杆机构的丝杆或齿轮齿条机构的齿轮)，通过直线驱动机构的从动端(如丝杆机构的螺母或齿轮齿条机构的齿条)直线驱动阳极包覆单元滑动。

为了实现新阳极和残阳极的自动输送，本实施例还在铝电解槽的一侧设有阳极输送装置，具体如图24和图25所示，阳极输送装置主体为输送机68，输送机68设置在铝电解槽的一侧，输送机68的两端分别连接阳极堆垛区，可分别用于堆放新阳极和换下的残阳极。本实施例中的输送机68采用鳞板式输送机，在输送机上设有若干用于盛放阳极的钢质托盘69，阳极放置在托盘69上通过输送机进行输送。在输送机的两侧固定设有挡边613，输送机的输送带宽度要比托盘及阳极宽度宽0.2-1m，避免阳极在输送过程中与挡边613发生碰撞，挡边613上设有第二定位元件66，第二定位元件66与第一定位元件61采用同样的位置传感器，在将残阳极下降放置托盘上时，以第二定位元件66所在的水平面为基准，通过第二定位元件66检测到残阳极下降的高度，并结合天车的初始高度计算出残阳极的实际高度。

在实际应用中，本实施例可对同一车间的多组铝电解槽进行统一换极管理，如图26所示，若干组铝电解槽1平行布置在车间内，车间内的天车67平行与铝电解槽设置，阳极输送装置的输送机68垂直于铝电解槽1设置在一侧，并与铝电解槽的平行布置方向的长度相等，保证能够对任意位置的铝电解槽1进行阳极输送，阳极堆垛区611布置在输送机68的两端。天车、自动换极机械臂及输送机上还设有位置标识和距离检测设备，所述位置标识包括条形码、二维码、反光标识中的至少一种，如条形码和二维码可记录对应的铝电解槽或阳极的编号，便于天车、自动换极机械臂及输送机实现定位动作，所述距离检测设备包括激光测距仪、红外测距仪、超声测距仪、视觉控制摄像头的至少一种，通过距离检测设备能够对天车、自动换极机械臂的各部件以及输送机的移动距离进行反馈检测，并且对位置标识进行识别。本实施例中，选用长宽为5cm×5cm的反光标识作为位置标识，选用激光测距仪作为距离检测设备。关于距离检测设备和位置标识在移动设备上的设置为自动控制领域常用技术手段，本领域技术人员可根据铝电解槽车间的实际情况进行选择设计，本实施例在此不对其具体工作原理进行赘述。

本实施例中的第一定位元件61、第二定位元件62以及多组距离检测设备作为信号输入模块与槽控机的控制模块通过信号连接，夹紧元件62、伸缩机构63、套筒扳手64、天车67、输送机68以及电动驱动元件612作为输出执行模块分别与槽控机的控制模块通过信号连接，槽控机为铝电解槽的控制系统，具体用于铝电解槽在电解生产过程中的自动控制调节，如何将本实施例中的自动换极系统中的上述部件通过信号连接至槽控机，本领域技术人员可通过现有的信号通信自动控制技术进行选择设计，本实施例在此不做赘述。

本实施例的自动换极方法包括如下步骤：

1)预备工作，槽控机发出换极命令，首先通过阳极输运装置，将阳极堆垛区的新阳极运送到对应所需换极的铝电解槽的输送机位置上，通过阳极输运装置上的位置标识及距离检测设备辅助控制输送，以确保新阳极到达对应铝电解槽的位置；

2)定位残阳极与移出残阳极，移动天车及自动换极机械臂，通过第一定位元件找到需要更换残阳极的阳极导杆顶端位置，记录此时天车高度为H0，使用夹紧元件卡紧阳极导杆，然后操控伸缩机构，通过套筒扳手松开该阳极导杆上的阳极卡具螺栓，操控槽盖板自动开启装置，开启该残阳极上方的槽盖板，通过天车提升残阳极，并将残阳极平移至阳极输运装置对应的空托盘上，当残阳极底面向下接近托盘时，通过第二定位元件测定天车下降的距离，结合天车相对于第二定位元件之间的固定高度，计算得到残阳极的底面与阳极导杆顶端的实际高度H1；

3)定位新阳极与安装新阳极，移动天车至新阳极的阳极导杆处，通过第一定位元件定位，使用夹紧元件卡紧并提升新阳极，新阳极底面与阳极导杆顶端的高度为固定值H2，则天车应到达的高度为H＝H0+(H2-H1)+A，其中A为工艺控制参数，将新阳极平移至原阳极坑位置，控制天车缓慢下降至高度H处即停止，操纵伸缩机构，通过套筒扳手锁紧阳极卡具螺栓，夹紧阳极导杆上的阳极卡具，松开夹紧元件，移走天车，通过槽盖板自动开启装置关闭对阳极坑的槽盖板。

关于工艺控制参数A，是指新阳极温度较低，在刚放入的时候会对高温电解质(960℃)产生热冲击，所以新阳极位置一般比原阳极位置稍微高一点，预热一段时间再下移，如没有该参数，新阳极放入的位置将和原有阳极完全一致，容易造成大面积温度降低、电解质发粘，不利于稳定槽况。工艺控制参数A即为新阳极相对于原有阳极位置的高度。

4)结束工作，向槽控机发送换极完成命令，通过阳极输运装置将残阳极运送到阳极堆垛区域，完成换极流程。

以下结合图27对本实施例的铝电解槽连接的高温烟气余热回收及深度净化系统进行详细说明，该高温烟气余热回收及深度净化系统由余热回收模组72、集气箱77、发电模组78、有机朗肯循坏换热器79、冷凝器712、工质分离器713、储液罐714、除尘净化模组716等部分构成。其中余热回收模组72的进气端设置高温烟气进口71，与烟气收集系统的烟气管道21连接，余热回收模组72的出气端与除尘净化模组716连接，余热回收模组72的换热介质管道出口76连接至集气箱77，集气箱77通过调节阀717连接至发电模组78，发电模组78的出气端连接有机朗肯循环换热器79的进气端，有机朗肯循环换热器79的出气端与冷凝器712连接，同时有机朗肯循环换热器79的有机工质管道出口711与换热介质管道出口76一同连接至集气箱77，通过水蒸汽和有机蒸汽的混合蒸汽对发电机组进行发电，冷凝器712则工质分离器713与有机工质管道进口710连接，分离循环利用有机工质，同时工质分离器713还与余热回收模组72的换热介质管道进口75连接，分离循环利用余热回收模组的水介质。

具体的，余热回收模组72中设有两组不同排列方向的列管式换热器，沿烟气流动方向，第一列管式换热器74a排布在第二列管式换热器74b前一级，第一列管式换热器74a靠近余热回收模组进气端，从高温烟气进口71进入的高温烟气与第一列管式换热器74a中的水工质有很大的温度差，具有大的传热推动力，因此可以将第一列管式换热器74a的换热介质管道垂直于高温烟气的进气方向布置，直接高效回收烟气中的余热。而第二列管式换热器74b靠近余热回收模组出气端，此时的烟气温度经过第一列管式换热器的热交换后，温度已经降低，为了进一步提高该部分烟气中的余热回收效率，在第二列管式换热器74b的区域内设置若干折流板73，折流板垂直于高温烟气进气方向交替分布，形成一个S形的迷宫气流通道，第二列管式换热器74b的换热介质管道垂直S形迷宫气流通道设置，通过延长气流通道，提高烟气与换热介质管道接触的时间，使换热介质管道内的水工质充分吸收烟气余热，深度回收烟气中的余热。

考虑到第一列管式换热器74a和第二列管式换热器74b之间的换热效率存在差别，将两组列管式换热器的换热介质管道分开设置，并分别将两组换热介质管道出口并联连接至集气箱，另外，工质分离器713分离后的水介质可只回流至第一列管式换热器74a中，第二列管式换热器74b的换热介质通道进口则从系统外部补充新的水介质，对系统内部的水工质进行补充。

铝电解槽内产生的高温烟气由高温烟气进口71进入余热回收模组72内，与分布不同的两组列管式换热器进行热交换，将高温烟气的热量传给列管式换热器中的液态水工质，液态水工质在换热介质管道内折返流动，吸收高温烟气的热量逐渐升温，形成介质蒸汽由换热介质管道出口76排出，并储存至集气箱77中，至此，高温烟气经过余热回收模组72回收余热后，达到工艺温度要求的冷却烟气，然后由余热回收模组72的出气端送入除尘净化模组716进行深度净化后排放。

集气箱77分别收集从余热回收模组72的两组列管式换热器和有机朗肯循环换热器产生的混合蒸汽包括水蒸汽和有机蒸汽，通过调节阀717输出连续稳定的蒸汽到达发电模组78，用于带动发电机发电，实现余热的利用。针对混合蒸汽的特性，发电机组78采用透平发电机组，由高压透平和发电机组成。

有机朗肯循环换热器79中采用低沸点有机工质作为热交换的介质，对发电机组输出的较低温蒸汽热量进行再次回收利用。如图1中的箭头所示，发电机组78输出的低温混合烟气进入有机朗肯循环换热器79，该低温混合烟气与有机朗肯循环换热器79内的有机工质管道接触，与管道内部的有机工质进行热交换，由于有机工质的沸点较低，有机工质吸收热量后迅速形成有机蒸汽，然后通过有机工质管道出口711进入到集气箱77内，与水蒸汽混合再次进行发电，而经过热交换后的低温混合蒸汽从有机朗肯循环换热器79输出进入冷凝器712冷凝，然后进入工质分离器713，工质分离器713中装有有机物/水分离薄膜，该薄膜具有选择透过性，达到分离冷凝后的液态有机工质和水工质的目的。

工质分离器713的两个分离出口分别通过连接至两个储液罐714存储液态水工质和液态有机工质，相应的储液罐714中的液态水工质和液态有机工质然后分别经过加压泵715提供动力，分别循环输入到第一列管式换热器74a的换热介质管道进口75和有机朗肯循环换热器79的有机工质管道进口710，作为新的换热工质循环使用。其中还在液态水工质的加压泵715出口处设置流量阀718，利用流量阀718控制水工质进入换热介质管道的流速，依据列管换热面积、对流传热系数、烟气流量与温度，确定最佳的水流速。实际运行中，混合蒸汽冷凝后进入工质分离器713，将两种工质分离后进入余热回收模组和有机朗肯循环换热器，对工质进行分类循环利用，减少有机工质对其他设备的腐蚀，保证操作的稳定运行。

净化除尘系统716由布袋除尘器和干法净化器组成，在干法净化器中，选用比表面积大的砂状氧化铝作为吸附剂，吸附烟气中的HF等大气污染物，得到的含氟氧化铝可回收后再返回铝电解槽中使用，提高铝电解效率。此时电解排放的高温烟气经过余热回收利用后，烟气温度大幅降低，再对烟气进行净化处理，可最大限度的脱除烟气中的有害杂质，减少高温烟气对后续净化除尘设备的破坏。

以下详细说明本实施例的具体工作过程：

通过铝电解槽集气系统收集到的高温烟气通过高温烟气进口71进入到余热回收模组72，液态水工质通过换热介质管道进口75进入到两组列管式换热器中，高温烟气先与竖排设置的第一列管式换热器74a中的液态水工质进行热交换，得到的水蒸汽通过换热介质管道出口76进入到集气箱77中，初步降温得到的中高温烟气再与横排设置的第二列管式换热器74b进行热交换，在其中设有折流板73，烟气沿着折流板的导向往返流动，增大了烟气的停留时间，最后得到的低温烟气送入除尘净化模组716，吸附剂砂状氧化铝对含氟等物质进行吸附，得到的载氟氧化铝返回电解槽中利用，烟气通过布袋除尘器进行除尘处理后排入大气。由集气箱77输出的混合蒸汽通过调节阀717输出连续稳定的蒸汽进入发电机组78发电，对发电后的烟气余热通过有机朗肯循环换热器79，与由有机工质管道进口710进入的低沸点有机工质进行再次热交换，输出的有机蒸汽进入集气箱77中与水蒸汽一同进行发电，从有机朗肯循环换热器79输出的低温蒸汽通过冷凝器712冷凝后进入工质分离器713，对液态水工质/有机工质进行分离，然后输入到各自的储液罐714中，通过加压泵分别循环输入到第一列管式换热器74a和有机朗肯循环换热器79中，对水工质和有机工质进行循环利用。

参见图28，以下对本实施例的铝电解槽的自动控制流程进行说明。

铝电解槽1上方设置阳极覆盖密封系统，实现了氧化铝的下料系统5、烟气收集系统2以及自动换极系统6的自动化设置，通过高温烟气收集系统2和自动出铝包3的出铝系统实现高温烟气和铝水的保温组合输送，再将组合输送的铝水及高温烟气分别送至熔铸车间100和高温烟气余热回收及深度净化系统7，整个流程通过槽控机9实现自动化流程控制，包括对电解过程中的各项参数实时监测、自动控制下料、自动控制出铝、自动控制烟气处理等。

具体的，本实施例的槽控机9通过通信模块91分别与布置在铝电解槽1内部的阳极电流检测单元、槽温分布单元及烟气温度检测单元连接，同时还通过通信模块91与下料系统5、用于输送铝包和高温烟气的输送管道4以及自动出铝包3、保温装置的热交换器10、自动换极系统6、高温烟气余热回收及深度净化系统7的传感元件及电动执行元件通过信号连接，具体的传感元件和电动执元件包括出铝管的电子阀门、输送管道内的铝包自动输送组件、自动换极系统的换极机械手及各个定位元件等。关于槽控机通过通信模块与传感元件及电动执行元件的信号传递方案属于常用的自动控制技术，本实施例在此不做赘述。

在某500kA铝电解系列中，通过全套实施本实施例的铝电解槽方案，对现有铝电解的阳极覆盖料进行全新替换，通过理论计算，其主要的技术经济指标可如下：

槽工作电压：由于极距、电解槽其他材料均未改变，故槽工作电压可与传统电解槽基本一致，本实施例中为3.85V；

电解温度：电解温度可与传统电解槽一样，也可以采用由钠-钾-锂复合冰晶石构成的低温电解体系，即电解温度可在900～950℃之间选择；

过热度：可与传统电解槽一样，同时由于物料平衡与热平衡控制效果得以改进，因此也可以更为苛刻，即可以在4～8℃之间选择；

氧化铝浓度：由于分布式下料系统以及控制算法的更新，可精准控制在最优浓度的±0.5％wt.；

阳极效应系数：可降低至≤0.01次/槽·日；

电流效率：由于氧化铝浓度控制精度与均匀性大幅改进、换极后的不稳定状态所处时间大幅缩短，电解槽的平均电流效率完全可以达到目前铝工业的最好电流效率，即95％，而现有工艺中的平均电流效率一般难以超过93％

电解槽的能耗可计算如下：

(1)使用传统工艺

吨铝直流电耗为2980*3.85/0.93＝12337kWh/t-Al

(2)使用本发明的工艺

吨铝直接直流电耗为2980*3.85/0.95＝12077kWh/t-Al；

由于铝电解的理论能耗为5990kWh/t-Al计算，则总损失的热量达到6087kWh/t-Al，能量利用率仅为49.6％；

而高温烟气所蕴含的热量占电解槽总热损失的60％，即3653kWh/t-Al；

此部分高温烟气的余热效率按照70％计算，则此部分可发电为：2557kWh/t-Al。

最终，吨铝的综合直流耗电量为：12077-2557＝9520kWh/t-Al，能量利用率为63％。

此外，由于烟气的集中处理且由于阳极效应系数较传统工艺可大幅降低，PFC及含氟颗粒物的排放量可大幅降低；更重要的是，烟气中的SO₂可以得到净化处理。同时，由于自动化出铝和自动换极系统的应用，整个电解过程的人员数量可大幅降低(预计降低80％以上)。

Claims (8)

1.一种全自动高效清洁的铝电解槽，其特征在于，包括设置在铝电解槽的槽壳上的阳极覆盖密封系统，所述阳极覆盖密封系统包括支撑框架和若干阳极包覆单元，所述支撑框架罩装在铝电解槽的槽壳上方，所述支撑框架的侧面与铝电解槽的槽壳侧面通过侧部挡板密封固定，所述阳极包覆单元为罩壳结构，活动嵌装在支撑框架的顶部，将阳极炭块的上部分进行包覆，并对支撑框架顶部形成密封；

所述支撑框架内部设有氧化铝下料系统，所述氧化铝下料系统包括固定在支撑框架内壁的氧化铝输送管和若干设有下料口的下料支管，所述下料支管之间与氧化铝输送管并联连接，所述氧化铝输送管为直通的管道，所述下料支管和氧化铝输送管的连接处设置氧化铝料室，所述氧化铝输送管的侧面设置溢出口与氧化铝料室连通；

所述支撑框架上还固定设有烟气收集系统；

所述铝电解槽的槽壳与高温烟气和铝包组合输送系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种全自动高效清洁的铝电解槽，所述烟气收集系统包括若干组烟气管道和烟气收集室，所述烟气收集室密封罩装在支撑框架上，并通过支撑框架上的通道与铝电解槽的槽壳内部连通，所述烟气管道与烟气收集室连接，向外输出铝电解槽内产生的高温烟气。

3.根据权利要求2所述的一种全自动高效清洁的铝电解槽，所述高温烟气和铝包组合输送系统包括分别输送高温烟气和铝包的输送管道，所述输送管道为内外两层管道，其中内管道为铝包输送管道，分别连接铝电解槽的槽壳和熔铸车间，内管道内设有与铝电解槽下部的出铝口对接的出铝管，其内设有自动出铝包和铝包自动输送组件；外管道套设在内管道外，并与内管道外壁形成用于输送高温烟气的环形截面管腔，所述烟气收集系统的烟气管道与外管道连通。

4.根据权利要求3所述的一种全自动高效清洁的铝电解槽，所述铝电解槽的槽壳的外壁还贴设有若干串联连接的热交换器，所述热交换器通过支烟管与烟气收集系统的烟气管道并联形成回路，所述支烟管上设有流量控制阀。

5.根据权利要求4所述的一种全自动高效清洁的铝电解槽，所述铝电解槽的槽壳的上方还设有自动换极系统，包括具有竖直升降自由度和水平面内任意位置直线运动自由度的自动换极机械臂；

所述自动换极机械臂的执行终端设有第一定位元件和用于固定夹持阳极导杆的夹紧元件、用于锁紧或解锁阳极卡具的套筒扳手，所述套筒扳手通过伸缩机构设置在自动换极机械臂上，所述夹紧元件、伸缩机构以及套筒扳手均为电动控制的自动执行件。

6.根据权利要求5所述的一种全自动高效清洁的铝电解槽，所述阳极包覆单元通过自动开启装置设置在支撑框架上，所述自动开启装置包括电动驱动元件，所述电动驱动元件固定安装在铝电解槽的槽壳上，所述阳极包覆单元与支撑框架滑动装配，所述电动驱动元件的输出端与阳极包覆单元连接，驱动阳极包覆单元沿支撑框架向外滑动露出阳极。

7.根据权利要求6所述的一种全自动高效清洁的铝电解槽，所述烟气收集系统的烟气管道与高温烟气余热回收及深度净化系统连接，所述高温烟气余热回收及深度净化系统包括余热回收模组、发电模组、有机朗肯循环换热器和除尘净化模组；其中，所述余热回收模组的进气端与高温烟气进口连接，出气端与除尘净化模组连接，余热回收模组内部的换热介质管道出口与发电模组连接，所述发电模组与有机朗肯循环换热器串联连接，所述有机朗肯循环换热器通过冷凝器回流分离后分别连接至余热回收模组与有机朗肯循环换热器的换热介质管道进口。

8.根据权利要求7所述的一种全自动高效清洁的铝电解槽，还包括槽控机，所述槽控机与布置在铝电解槽内部的阳极电流检测单元、槽温分布检测单元及烟气温度检测单元通过信号连接，同时还与氧化铝下料系统、高温烟气和铝包组合输送系统、热交换器、自动换极系统、高温烟气余热回收及深度净化系统的传感元件及电动执行元件通过信号连接。