CN109913903B - 一种可连续运行的多室节能铝电解槽 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可连续运行的多室节能铝电解槽，所述电解槽内部在水平方向交替布置阳极和阴极，相邻的阳极和阴极之间形成至少两个电解室；所述铝电解槽的内衬结构设置在铝电解槽的槽壳内壁，包括槽膛侧部和槽膛底部，所述槽膛底部的底面朝一侧倾斜，并在较低的一侧设置相对槽膛底面凹陷的聚铝沟；所述阳极为板状自焙阳极，其上方设置有阳极糊下料系统；所述阴极为板状预焙阴极；所述电解槽内部还布置有对接到各个电解室上方的氧化铝下料系统。本发明的铝电解槽具备节能、连续生产及投资节省等系列优势，能为铝电解的深度节能与环保提供保障。

Description

一种可连续运行的多室节能铝电解槽

技术领域

本发明属于铝电解槽技术，具体是一种可连续运行的多室节能铝电解槽。

背景技术

霍尔-埃鲁特法(Hall-Héroult)铝电解工艺一直是工业炼铝的唯一方法，其核心反应在铝电解槽内进行。现行工业铝电解槽经历了小型自焙槽、小型预焙槽、大型预焙槽和特大型预焙槽的发展历程，传统自焙槽由于环保等原因，在工业界已被全部淘汰，当前主流电解槽皆为大型或特大型预焙阳极铝电解槽。尽管该类电解槽的容量已经做到600kA，但该类型电解槽存在诸多缺陷：

1.由于预焙铝电解槽的阳极为非连续生产，平均每台铝电解槽每天都有阳极更换的人工作业，这将给铝电解的正常生产带来较大的影响，尤其是当前铝电解行业为追求低能耗而执行的低电压工艺，导致电解槽的物料平衡、热平衡与磁流体稳定性皆处于高度敏感的临界区域，故每次阳极更换皆会给电解槽带来长时间的非正常生产周期，这一方面让电解槽的能耗得不到有效降低，另一方面也会对槽寿命产生一定的影响。

2.电解槽的电解界面为水平的，阴极平铺固定在铝电解槽槽底，若干阳极固定分布在阴极上方，因此电解槽越大则电解槽占地面积越大，不但会导致槽内磁流体稳定性问题益发凸出，还造成电解槽建造与运行成本增加。

3.由于磁流体稳定性的影响，电解槽的极距一般保持在3.5～4.5cm之间，由此导致了极间的无效损失压降过大，而由于铝电解的能耗与电压成正比，即过高的极距直接导致铝电解过程巨额的电能损失，这也是铝电解过程电能利用率始终在50％徘徊的重要原因。

4.传统电解槽集气与净化效果较差，主要是由于现行电解槽槽盖板密封不严密，漏风较多，更严重的是每台槽每天均有长时间(0.5～1小时)的换极操作，此时槽盖板处于完全敞开状态，大量的空气漏到电解槽中去，导致电解槽内烟气成分的90％以上是混入的空气，其余才是电化学反应产生的阳极气体。直接后果是排出的烟气总量巨大，导致其中烟尘、污染物浓度极低，烟气中有害的氟化物气体、含硫气体等难以得到经济且有效的净化与处置，此外，由于揭开槽盖板时，电解槽直接敞开面向外界，无组织排放的烟气亦不可忽略，故现行电解槽的集气系统的效率低下，对槽内气态污染物与颗粒物处置缺乏有效手段。

由此可见，由于现有铝电解槽的阴极和阳极布置结构导致电解槽的节能以及环保作用仍处在较低的水平。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有铝电解槽存在的节能和环保作用低下的问题，提供一种可连续运行的多室节能铝电解槽。

本发明采用如下技术方案实现：

一种可连续运行的多室节能铝电解槽，所述电解槽内部在水平方向交替布置阳极和阴极，所述阳极和阴极相互之间竖直平行固定在电解槽内部，并具有相同尺寸的电解区域，相邻的阳极和阴极之间形成至少两个电解室；

所述铝电解槽的内衬结构设置在铝电解槽的槽壳内壁，包括槽膛侧部和槽膛底部，所述槽膛底部的底面朝一侧倾斜，并在较低的一侧设置相对槽膛底面凹陷的聚铝沟；

所述阳极为板状自焙阳极，通过阳极导杆悬吊固定在铝电解槽内部，其上方设置有阳极糊下料系统；

所述阴极为板状预焙阴极，并且沿竖直方向固定设置在铝电解槽的槽膛底部；

所述电解槽内部还布置有对接到各个电解室上方的氧化铝下料系统。

进一步的，所述阳极包括阳极框架以及阳极框架内部填装的自焙阳极糊；所述阳极框架为竖直置于铝电解槽内部的板状框架，框架底面封闭，框架竖向侧面设置内部阳极与电解质接触的镂空结构，框架顶面设置有加料口，所述阳极糊下料系统的下料口置于加料口的上方。

进一步的，所述自焙阳极糊内埋设有水平集流钢爪、垂直集流钢爪以及水平电流均化钢爪，所述水平集流钢爪沿阳极的上部长度方向布置，并且与伸出阳极顶部的阳极导杆固定连接，若干所述垂直集流钢爪一端与水平集流钢爪连接，另一端沿高度方向向下布置，每个所述垂直集流钢爪上连接有若干沿阳极厚度方向布置的水平电流均化钢爪。

进一步的，所述阴极包括阴极炭块和阴极导电钢棒，所述阴极炭块为板状结构，所述阴极导电钢棒包括埋设在阴极炭块内部的水平集流钢棒、垂直导电钢棒和电流均化钢棒，所述水平集流钢棒沿阴极炭块的长度方向水平布置在阴极炭块的下半部，其中水平集流钢棒的一端伸出阴极炭块至铝电解槽外部，作为阴极母线连接端，若干所述垂直导电钢棒一端固定连接在水平集流钢棒上，另一端沿阴极炭块高度方向布置，每个所述垂直导电钢棒上连接有若干沿阳极厚度方向布置的电流均化钢棒。

进一步的，所述铝电解槽内部所有阳极的阳极导杆并联汇集到同一根阳极母线上，所述铝电解槽内部所有阴极的水平集流钢棒从铝电解槽同一侧伸出，并通过阴极母线并联汇集到立柱母线上，所述立柱母线连接至电源负极或者接入下一串联电解槽的阳极母线，所述阳极母线连接至电源正极或者接入上一串联电解槽的立柱母线。

进一步的，所述聚铝沟靠近铝电解槽的阳极进电侧设置，并且聚铝沟的宽度不大于阳极和阴极到该侧槽膛侧部之间的最小垂直距离。

进一步的，所述槽膛底部的底面与水平面夹角为3～8°。

进一步的，所述阳极糊下料系统包括阳极糊自动输送管和阳极糊加料管，所述阳极糊自动输送管位于铝电解槽内部所有阳极框架的上方，内部设有阳极糊自动输送设备，若干与阳极框架一一对应的阳极糊加料管一端连接在阳极糊自动输送管上，另一端延伸至阳极框架的加料口上方。

进一步的，所述铝电解槽顶部封盖，电解槽上部结构设置有三组烟气集气管道，其中一级烟气集气管道与槽体内部空间直接连通，二级烟气集气管道延伸至槽体内部的阳极上方，三级烟气集气管道延伸至槽体内部并通过阳极糊下料系统的内部管路对接到自焙阳极顶部的阳极糊加料口。

进一步的，所述铝电解槽的顶部设置有将整个槽体内部空间密封的外部密封结构，所述阳极糊加料口上方与外部密封结构之间的槽体内部还设置有内部密封结构，所述内部密封结构上设置有供阳极糊下料系统一一对接到各个阳极的阳极糊加料口的通道；

其中，所述外部密封结构和内部密封结构之间的空间与一级烟气集气管道直接连通，所述内部密封结构的通道上方设置吸气罩，所述吸气罩与二级烟气集气管道连通。

本发明的电解槽内部空间被阴极和阳极分隔成若干小型竖直的电解室，且电解界面被控制在相邻阴极和阳极的竖直侧面上进行，电解过程产生的铝液沉入铝电解槽的槽底，然后还倾斜的槽膛内衬底面自动汇集到聚铝沟内，整个铝液区域与阳极和阴极的电解区域错开，铝液不通电流，阳极所需阳极糊料通过阳极糊自动下料系统进行自动加料。

自焙阳极中，阳极糊经过阳极糊下料系统自动添加到阳极框架中，并通过铝电解槽内部的高温在阳极中完成自动焙烧。阴极炭块放置与铝电解槽的槽膛内部并与阳极等高排列，与阳极共同将电解槽分隔为独立的小型电解室，阴极炭块内部的水平集流钢棒从电解槽一侧伸出槽外并将电流汇集到下一台电解槽。竖直排列布置的阴极母线仅在电解槽出电侧将全槽阴极钢棒中的电流经阴极软母线进行汇集，再汇集至立柱母线接入下一台相邻电解槽的单独一根阳极母线中或者接入电源负极。

铝电解槽内的集气系统通过阳极糊下料系统、吸气罩和槽体上部密封结构实现三级吸气，并内部密封结构和外部密封结构实现双层密闭，对阳极自焙烧过程和铝电解过程产生的烟气、烟尘进行密封和收集。

铝电解槽采用倾斜槽膛，阳极进电侧和阴极出电侧两侧的大面保温结构不一致，在阳极进电侧加强了侧部保温，槽膛底部倾斜炭块构成的槽膛底部采用倾斜布置，并应用对铝业润湿良好的高石墨质炭块，让电解得到的铝液自动汇集到聚铝沟内。

采用上述技术方案的可连续运行的多室节能铝电解槽，其技术思路与现行预焙铝电解槽及传统小型自焙铝电解槽等存在根本性差异。首先，相比传统预焙铝电解槽，本发明可在大电流的条件及完全密闭环保的条件下实现特大型铝电解槽连续节能生产，而不需要对损耗的阳极进行开槽换极；其次，相比已淘汰的小自焙槽，本发明的自焙阳极为若干块，且焙烧的阳极糊为在密闭环境下自动的加料，并可从电解槽内完全取出，便于维护与更换，从而完全避免了传统小型自焙槽产量低、不环保的关键弊端；最后，由于本发明技术方案的电解槽为竖式电解，单位空间的反应面积相比传统预焙槽及小自焙槽有数量级的提升，即使在需要扩大产能提高阳极和阴极数量的情况下，由于竖直布置的阳极和阴极，占用的空间大大减少。

总体而言，本发明的有益效果可归纳如下：

(1)巨大的节能优势。由于采用竖式电解槽的设计，实现大型铝电解槽在多个小型电解室内进行连续电解生产，并将电解反应控制在垂直界面上，在铝液层不存在电流，阴阳极的极距可设置到极限水平，从而大幅降低电解槽的槽电压(>500mV)，相应的节能效果显著(>1000kWh/t-Al)。

(2)连续电解生产，槽况可长期保持稳定，有利于电解槽操作与生产。由于阳极采用的是自焙阳极，通过配置阳极糊下料系统、若干阳极分布于电解槽内可以实现电解槽全自动连续生产，避免由于阳极更换导致的槽况波动，保证电解槽长期稳定运行。

(3)清洁生产。本发明自焙阳极与阳极糊下料系统为全密闭体系，可对电解废气与余热进行多级回收与多层密闭，实现电解槽的气态污染物的超低可控排放，并通过隔绝废气外泄改善电解车间的操作环境，此外，烟气温度较高且烟气中污染物浓度较高，还可以实现烟气余热的高效利用及污染物的集中净化处置。

(4)维护容易，成本较低。本发明的连续自焙阳极均可在出现故障后快速将其从电解槽内完全取出，并替换以新极，从而让阳极的维护更加方便，而且可以最大幅度简化阴极母线的设计及母线用量，实现电解槽投资的最小化。

因此，采用本发明提供电解槽具备节能、连续生产及投资节省等系列优势，能为铝电解的深度节能与环保提供保障。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1实施例中的一种可连续运行的多室节能铝电解槽主视图。

图2实施例中的一种可连续运行的多室节能铝电解槽俯视图，具体展示的是阳极和阴极在铝电解槽内部的分布示意。

图3为实施例中的铝电解槽的内衬结构的截面示意图。

图4为实施例中的自动下料的连续自焙阳极的正面结构示意图。

图5为实施例中的阳极框架的结构示意图。

图6为实施例中的阳极糊下料系统结构示意图。

图7为实施例中的阳极框架的绝缘复合板截面示意图。

图8为实施例中的一种阴极在铝电解槽内的安装示意图。

图9为实施例中的阴极的整体结构示意图。

图10为实施例中的阴极底部与铝电解槽槽膛底部的位置关系示意图。

图11为实施例中的另一种阴极在铝电解槽内的安装示意图。

图12为实施例中的多室节能铝电解槽的俯视图状态下的母线连接示意，主要体现阴极母线的连接。

图13为实施例中的多室节能铝电解槽的侧视图状态下的母线连接示意，主要体现阳极母线的连接。

图14为实施例中的多室节能铝电解槽的主视图状态下的母线连接示意，主要体现阳极母线的结构。

图15为实施例中的多组多室节能铝电解槽母线串联的母线连接示意。

图16为实施例中的多室铝电解槽的密闭集气装置整体结构示意图。

图17为实施例中的单个阳极的阳极糊下料系统以及吸气罩的结构示意图。

图18为实施例中的多室铝电解槽的密闭集气装置中的三级集气管道示意图。

图19为实施例中的多室铝电解槽的密闭集气装置中的二级集气管道示意图。

图中标号：1-槽体，101-侧部内侧炭块，102-侧部绝热板层，103-侧部异形炭块，104-高铝砖，105-高强浇注料，106-底部绝热板层，107-槽膛底部倾斜炭块，108-保温砖，109-底部防渗层，110-聚铝沟底部炭块，111-聚铝沟， 112-槽壳；

2-阳极，200-自焙阳极糊，201-阳极框架，2011-不锈钢板，2012-绝缘层， 202-网状结构，203-加料口，211-阳极导杆，212-水平集流钢爪，213-垂直集流钢爪，214-水平电流均化钢爪，221-阳极糊自动输送管，222-阳极糊加料管， 223-阳极糊分流器；

3-阴极，31-阴极炭块，32-垂直导电钢棒，33-水平集流钢棒，34-电流均化钢棒；

41-立柱母线，42-阳极母线，421-进电接入口，43-阴极母线，44-阴极软母线，45-阳极软母线；

5-电解槽上部结构，51-一级烟气集气管道，52-二级烟气集气管道，53-三级烟气集气管道，501-外部密封结构，502-内部密封结构，521-吸气罩，522- 吸气罩烟气主管道；

6-电解质；

7-铝液；

8-氧化铝下料系统。

A-进电侧，B-出电侧。

具体实施方式

实施例

参见图1和图2，图示中的多室铝电解槽为本发明的具体实施方案，具体包括槽体1、阳极2、阴极3、母线系统、电解槽上部结构5和氧化铝下料系统8，本实施例中电解槽的容量为400kA，共有10组阴极3、9组阳极2，其中阳极2 和阴极3沿槽体底部水平方向交替布置在槽体1内部，阳极2和阴极3均采用相同尺寸的板式电极结构，相邻的阳极2和阴极3之间竖直布置并且形成平行的电解室，所有的阳极和阴极之间具有相同尺寸的电解区域，整个电解槽的槽体1内部沿水平方向形成18个这样的电解室。电解槽的槽体1底面朝一侧倾斜设置，并在较低的一侧设置相对槽体底面凹陷的聚铝沟111 ，在阳极2和阴极3 之间电解室内的电解质进行竖向电解，电解产生的铝液直接沉到阳极2和阴极3 底部的槽体1底面，并沿着倾斜的槽体底面汇流到聚铝沟111 内，实现铝液的自流收集。氧化铝下料系统8延伸分布在各个电解室的上方，对电解铝生产过程进行氧化铝自动加料，氧化铝下料系统8的方式可采用现有铝电解槽的加料方式，本实施例在此不进行赘述。

具体如图3所示，本实施例中的铝电解槽槽体1的内衬结构包括侧部内侧炭块101、侧部绝热板层102、侧部异形炭块103、高铝砖104、高强浇注料105、底部绝热板层106、槽膛底部倾斜炭块107、保温砖108、底部防渗层109、聚铝沟底部炭块110、聚铝沟111以及槽壳112，图示中的进电侧A是指的铝电解槽内的阳极连接进电的一侧，出电侧B是指的铝电解槽内的阴极连接出电的一侧。

内衬结构整体固定在槽体的槽壳112内壁，按照铝电解槽内部的槽膛空间可以划分为槽膛侧部和槽膛底部，其中，槽膛底部的底面为朝铝电解槽进电侧A 一侧向下倾斜的斜面，该斜面的形成通过槽膛底部倾斜炭块107实现，槽膛底部倾斜炭块107铺设在内衬结构的槽膛底部，其中槽膛底部倾斜炭块107的顶面形成为槽膛底部的底面，槽膛底部倾斜炭块107整块采用平板结构，在铺设安装时倾斜设置，保证其顶面相对水平面倾角为3～8°。

聚铝沟111位于槽膛底部位置较低的一侧，并且整个聚铝沟相对于槽膛底部的底面凹陷设置，在槽膛底部倾斜炭块107上流淌的铝液能够顺着倾斜的槽膛底面直接流动到聚铝沟111内，根据槽膛底部底面的倾斜位置关系，聚铝沟 111在槽膛内部靠近铝电解槽的进电侧设置。

为了保证铝电解槽槽体1底部的保温和防止铝液渗漏，槽膛底部倾斜炭块 107的底部依次垫设有保温砖108和底部防渗层109，保温砖108砌筑成一个将槽膛底部倾斜炭块107倾斜设置的坡度，底部防渗层109铺设覆盖整个内衬结构的槽膛底部，在聚铝沟111的底部垫设聚铝沟底部炭块110，聚铝沟底部炭块 110铺设在底部防渗层109上，聚铝沟111的侧面由槽膛底部倾斜炭块107、聚铝沟底部炭块110以及槽膛侧部炭块围成，槽膛底部倾斜炭块107和聚铝沟底部炭块110均采用高石墨质炭素或硼化钛-碳复合阴极材料。

本实施例中的槽膛底部倾斜炭块107的顶面与底面夹角为5°，其材质为对铝液具有高润湿性能的全石墨质炭块，宽度为600mm、厚度为50mm，采用捣鼓安装。聚铝沟底部炭块110的厚度为50mm，宽度为60mm。保温砖108靠近铝电解槽进电侧A的铺设厚度为80mm，靠近铝电解槽出电侧的铺设厚度为 120mm，其宽度与与槽膛底部倾斜炭块107相同。底部防渗层109铺装的底部干式防渗料厚度为60mm，其宽度同样与槽膛底部倾斜炭块107相同。

再次参见图3，内衬结构的槽膛侧部采用侧部内侧炭块101和侧部异形炭块 103拼接并通过高铝砖104和高强浇注料105砌筑固定，其中侧部内侧炭块101 采用规则的板状结构，铺设在槽膛侧部的上半部，侧部异形炭块103采用不规则的多边形炭块，铺设在槽膛侧部的下半部，要保证侧部异形炭块103在垂直方向覆盖铝电解槽侧部的熔体区域，本实施例中的侧部异形炭块103是指在铝电解槽槽膛内部形成向下倾斜台阶结构的异形结构，形成铝电解槽槽膛内部的伸腿结构。侧部内侧炭块101和侧部异形炭块103可采用与槽膛底部倾斜炭块 107和聚铝沟底部炭块110相同的高石墨质炭素或硼化钛-碳复合阴极材料。

内衬结构的槽膛侧部实际为非对称结构，在靠近铝电解槽进电侧的槽膛侧部设有侧部绝热板层102，侧部绝热板层102位于侧部内侧炭块101和槽壳112 之间，并且沿着槽壳内壁向下延伸铺设，绕过聚铝沟111底部后，在槽膛底部和槽壳112之间形成底部绝热板层106。侧部绝热板层102和底部绝热板层106 均采用硅酸钙绝热板，实现覆盖部分的保温，在电解槽出电侧则无需进行此布置。通过在铝电解槽的槽体内部进电侧加强了侧部保温，由所述槽膛底部倾斜炭块107构成的槽膛底部采用倾斜布置，并应用对铝液润湿良好的高石墨质炭块，让电解得到的铝液自动汇集到聚铝沟内。

图示中的铝电解槽采用上述内衬结构，将内衬结构固定于铝电解槽的槽壳 112内壁，同时铝电解槽内的阳极2和阴极3均采用板式结构，阳极2和阴极3 之间交错竖直平行布置在内衬结构的槽膛底部上方，相邻的阳极2和阴极3之间形成多个氧化室，铝电解槽的槽体1顶部通过电解槽上部结构5封闭，其中阳极2和阴极3的侧边与进电侧槽膛侧部之间的最小垂直距离不小于聚铝沟111 的宽度，阳极2和阴极3其他侧边与内衬结构之间可以尽量靠近设置，只要保证电解质6和铝液7能够正常流通即可，最大限度地利用铝电解槽内部空间，降低了铝电解槽的体积尺寸，保证阳极2和阴极3之间形成的电解界面与聚铝沟错来开，避免电解过程中聚铝沟111内的铝液7通电。

采用本实施例多室节能铝电解槽具有铝液自动收集、槽内高保温的优点，实现电解槽的自动超低极距运行，从而改善电解槽热平衡状态，降低电解槽热损失，有效提升电解槽的能效水平。

结合参见图4-7，本实施例中的阳极2为一种连续加料的自焙阳极，具体包括自焙阳极糊200、阳极框架201以及阳极导杆211、水平集流钢爪212、垂直集流钢爪213、水平电流均化钢爪214、阳极糊自动输送管221、阳极糊加料管 222和阳极糊分流器223。由耐高温绝缘复合板构成的阳极框架201用来承载自焙阳极糊200自动添加与成型。自焙阳极糊200经过阳极糊自动输运管221输运至阳极框架201上部，再经阳极糊加料管222、阳极糊分流器223分别自动填装到阳极框架201中，并在阳极框架201中通过铝电解槽内部高温环境完成自动焙烧成型。

具体如图4中所示，本实施例中的阳极框架201为一个板状结构的框架，即自焙阳极糊200在阳极框架内部焙烧成型后形成一个板状结构的阳极块。阳极框架201的底部由完整的绝缘复合板封闭，在阳极框架201的竖向侧面设置镂空结构，便于铝电解槽内部的电解质与阳极框架内部的阳极材料接触，阳极框架的顶面保留设置加料口203，用于向阳极框架201内部连续加入自焙阳极糊来补充消耗的阳极材料。

本实施例中板状结构的阳极与平行的板状阴极配合，交错分布在铝电解槽的槽体1内部，因此图4中阳极框架201的前后两侧大侧面(或者位于边缘的其中一侧大侧面)为与板状阴极形成竖式电解的电解表面，在与铝电解槽的阴极平行相对的阳极框架201侧面设置露出内部阳极材料的网状结构202，其余竖直侧面与阳极框架底面一样通过完整的绝缘复合板封闭设置。自焙阳极糊200 进入阳极框架201内部后，快速被铝电解槽内部高温被烧成型，不会大量从网状结构202漏出，部分露出的阳极材料因为凸出于阳极表面，通过集中分布的电流也会被快速消耗掉，因此设置网状结构202的阳极表面能够形成较平整的阳极电解表面。

本实施例中的阳极2为自焙阳极，通过阳极糊自动输送管221、阳极糊加料管222和阳极糊分流器223构成的阳极糊下料系统可以对阳极框架201内部进行自动连续添加自焙阳极糊200，以补偿被消耗掉的阳极材料。

具体如图4和图6中所示，阳极糊自动输送管221位于铝电解槽的槽体1 内部所有阳极框架的上方，一般沿垂直于板状阳极的方向布置，在阳极糊自动输送管221内部设置螺旋输送机作为阳极糊自动输送设备，通过螺旋输送机实现自焙阳极糊200在阳极糊自动输送管221内部的输送，若干与阳极框架201 的位置一一对应的阳极糊加料管222一端连接在阳极糊自动输送管221上，另一端延伸至阳极框架201的加料口203上方，阳极糊加料管222将阳极糊自动输送管221内部的自焙阳极糊引流到对应的阳极框架201内部。

本实施例的阳极框架201采用绝缘复合板制成，如图7所示，绝缘复合板包括两层特种不锈钢板2011或铁酸镍基金属陶瓷板以及中间一层绝缘层2012，总厚度为20-50mm，中间一层的绝缘层2012采用的绝缘材料可为氧化铝或其他廉价绝缘材料，厚度为5mm-10mm，外面一层除了可以采用不锈钢板之外，还可采用铁酸镍基金属陶瓷板材料，厚度为5-20mm。

为了将自焙阳极糊200均匀地填充到阳极框架201的内部，在阳极糊加料管222的出料口位置设置有阳极糊分流器223，阳极糊加料管222的出料口通过阳极糊分流器223分成两部分，从阳极糊加料管222流出的自焙阳极糊分成两路从阳极框架的两侧进行均匀加料。阳极糊加料管222上部为单独一根总管，经阳极糊分流器223分流后，成为两根加料管分别在阳极钢爪的两侧完成加料。

本实施例的阳极2的顶部也配置由阳极导杆211，作为将阳极2悬挂在铝电解槽内部的连接部件以及阳极的导电部件，阳极导杆211上设有将铝电解槽内部所有阳极并联的阳极母线42。阳极2的悬挂方式与现有铝电解槽的阳极相同，同时，由于板状结构的阳极分布面积较大，为了提高阳极导杆211对阳极整体的连接强度以及电流在阳极内部的分流均化，本实施例在阳极2内部分布有阳极钢爪结构，具体如图4和图5所示，包括埋设在自焙阳极糊200内的水平集流钢爪212、垂直集流钢爪213以及水平电流均化钢爪214，水平集流钢爪212 沿阳极2的上部长度方向布置，并且与伸出阳极顶部的阳极导杆211固定连接，若干垂直集流钢爪213的顶端与水平集流钢爪212连接，另一端沿阳极的高度方向向下延伸布置，垂直集流钢爪213之间等距平行分布，保证在阳极内部的均匀分布，每个垂直集流钢爪213上连接有若干沿阳极厚度方向布置的水平电流均化钢爪214，水平电流均化钢爪214的中间位置与垂直集流钢爪213固定连接，相互之间同样等距平行布置，水平电流均化钢爪214的长度可以随着与阳极导杆211之间的距离逐渐变远，根据电流的走向，依次从上到下增加长度。

阳极导杆211的材质与现行工业铝电解槽一致，为铝制材料，截面大小根据理论电流密度进行自行加工，水平集流钢爪212、垂直集流钢爪213以及水平电流均化钢爪214的截面大小根据电流密度进行自行加工。

如图4中所示，图示中的连续自焙阳极应用于本实施例的电流强度在400kA 级的可连续运行的多室节能铝电解槽中，板状结构的阳极2通过阳极导杆211 吊装固定在铝电解槽的槽体1内，阳极2的一端紧靠槽体1的内衬侧面，仅留 10mm空间便于电解质流动，阳极2的另一端距离槽体1的另一侧内衬的空间可达200mm，一方面有利于电解质缓慢流动，另一方面预留出铝液聚集的聚铝沟 111，将聚铝沟111置于槽体内部阳极和阴极的点解区域之外，避免聚铝沟内部的铝液通电。阳极导杆211为铝制材料，截面为200mm*200mm，水平集流钢爪 212的截面为80mm*200mm，水平电流均化钢爪214的截面为40*40mm，垂直集流钢爪213的截面为80mm*80mm。

结合参见图8-10，本实施例中的阴极3为预制固定在铝电解槽槽体1底部的一个板状结构，沿竖直方向固定设置在铝电解槽的槽体1内部，阴极3的底部固定放置在槽体1的槽膛底部，在铝电解槽的槽膛内形成类似隔墙的结构，与同为板状结构的阳极2将铝电解槽内部分隔成至少两个电解室，如图2所示，所有的电解室沿水平方向分布，并且阳极2和阴极3分别位于电解室的两侧面，对阳极2和阴极3之间的电解质进行竖向电解。

结合参见图8和图9，本实施例中的阴极3为方体板状结构，包括整体预焙成型的阴极炭块31以及预埋在阴极炭块31内部的垂直导电钢棒32、水平集流钢棒33和电流均化钢棒34，垂直导电钢棒32、水平集流钢棒33和电流均化钢棒34整体构成阴极炭块31的骨架结构，作为阴极炭块31的骨架提高阴极炭块 31的整体强度的同时，通过在阴极炭块31内部均匀分布的立体结构实现电流在阴极炭块31表面的均匀分布。

具体的，水平集流钢棒33沿阴极炭块31的长度方向水平布置在阴极炭块的下半部，其中水平集流钢棒33的一端端头伸出阴极炭块至铝电解槽外部，作为阴极母线连接端，若干根垂直导电钢棒32一端固定连接在水平集流钢棒33 上，另一端沿阴极炭块的高度方向延伸布置，每个所述垂直导电钢棒32上连接有若干沿阳极厚度方向布置的电流均化钢棒34，可以看出，所述垂直导电钢棒 32以及电流均化钢棒34均全部埋设在阴极炭块内部，整个阴极炭块31表面只有水平集流钢棒33的一端伸出阴极炭块，作为电流接入。如图9中所示，所有阴极3的水平集流钢棒33从铝电解槽槽体1的同一侧伸出，在槽体1的同一侧将所有阴极通过阴极母线并联在一起，并将电流汇集到下一台电解槽，而所有的阳极2则通过阳极顶部的阳极导杆与阳极母线42并联在一起。

在本实施例中，所述水平集流钢棒33为等截面棒材，即水平集流钢棒33 的横截面可为相同尺寸的方形尺寸，截面的宽度和高度均一致，其中宽度为 150mm，高度为100mm。

水平集流钢棒33、垂直导电钢棒32和电流均化钢棒34的材质为传统电解槽用钢棒，电流均化钢棒34的截面积和长度均一致，截面为方形，且电流均化钢棒34的端头距离阴极炭块31的外边界垂直距离为20～40mm。

如图8和图10中所示，本实施例的阴极3与铝电解槽的槽体1的安装关系如下：阴极炭块31为方形板状炭块，阴极炭块31的底面沿水平方向固定嵌放在铝电解槽的槽膛底部，构成将阳极之间的隔墙结构，相邻阴极炭块31之间的铝电解槽槽膛底部设置沿阴极炭块长度方向朝一侧倾斜的底面，并在铝电解槽槽膛底面较低的一侧设置相对槽膛底面凹陷的聚铝沟111。实际在铝电解槽砌筑过程中，可以将阴极3整体与铝电解槽的槽体1一体砌筑，在槽体1的槽膛底部通过铺设槽膛底部倾斜炭块107形成底部斜面，并在槽膛底部倾斜炭块107 上预留出用于安装阴极3的定位槽，定位槽的底部为水平面，将阴极炭块31底面固定嵌入到槽体1底部的定位槽中，实现阴极3在槽体1的倾斜底面上保持水平安装。

电解质6在阴极3和阳极2之间以及位于端部的阴极3与槽体1之间的空间流通，电解产生的铝液7沉积在底部并通过槽膛底部斜面自动汇集到聚铝沟 111内部，所述阴极炭块在铝电解槽槽膛底面的垂直投影与聚铝沟错开设置，这样聚铝沟111位于阴极3和阳极2之间的电解空间之外，聚铝沟111内部流动的铝液不会被通电磁化。

该阴极分隔铝电解槽槽体形成多室分隔电解，彻底消除水平电流，阴极和阳极之间可以设置更小的极距，实现槽内电压大幅降低，实现电解槽的大幅节能，多室分隔电解也进一步提升了电解槽的产能。

参见图11，图示为另一种阴极的实施方案，该阴极3的阴极炭块31内部的水平集流钢棒33的截面随与远离阴极母线的距离增大而增大，即水平集流钢棒 33的横截面为渐变的不同尺寸，截面还是方形，截面的宽度均一致，为150mm，远离水平集流钢棒33伸出端的阳极炭块内部的截面高度比伸出位置的截面高度高10～50mm。

结合参见图12-15详细说明本实施例中铝电解槽内部的阳极和阴极的母线连接方式。

同时本实施例中的阴极3表面只有水平集流钢棒的一端伸出阴极炭块，作为电流接入，阳极2通过顶部伸出的阳极导杆211作为电流接入。以上多室节能铝电解槽的阳极和阴极通电连接的母线系统包括阳极母线42和阴极母线43 的布置连接，具体如图12中所示，所有阳极2的顶部设置一根将所有阳极的阳极导杆211并联汇集的阳极母线42，所有阴极3的水平集流钢棒33从铝电解槽槽体1的同一侧伸出，该侧为铝电解槽的出电侧，在槽体1的同一侧将所有阴极通过阴极母线43并联汇集到铝电解槽一侧的立柱母线41上，如果是单一台铝电解槽，直接将阳极母线42接入铝电解电源的正极，将立柱母线41通过软母线接入铝电解电源的负极。在实际铝电解生产中，大多是将多台铝电解槽串联在一起提高生产效率，这种情况下，位于两端的立柱母线和阳极母线分别接入铝电解电源，位于中间的铝电解槽则是将立柱母线41接入下一串联铝电解槽的阳极母线42，阳极母线42则接入上一串联电解槽的立柱母线41，如图15中所示。

如图12中所示，本实施例中的阴极3数量较阳极2多一块，即位于铝电解槽的槽体1两外侧端头为阴极3，然后再在中间交替布置阳极和阴极，阴极母线 43和阴极软母线44构成一个电流通道，并与每块阴极3的水平集流钢棒33一一对应连接，由于中间的阳极2和阴极3均在两侧面分别形成电解室，而两端头的阴极3只有一侧面与内侧的阳极形成电解室，因此，位于中间位置的阴极电流通道电阻均形同，而位于电解槽两个端头阴极的电流通道电阻为中间位置阴极的电流通道电阻的1/2，以保证所有的电解室的电压统一。阴极母线43仅在铝电解槽的出电侧将全部的水平集流钢棒33中的电流经阴极软母线44进行汇集，再汇集至立柱母线41接入下一台串联的电解槽。

如图13和图14所示，阳极母线42位于阳极2的中间，便于直接与阳极顶部中间伸出的阳极导杆211连接，数量只有一根，长度覆盖所有的阳极分布方向，且超出阳极边界200mm。阳极母线42由于只有一根，故无需过桥母线，在相应的位置设置若干进电接入口421，进电接入口421与串联的铝电解槽上的立柱母线一一对应，从而便于通过阳极软母线45将串联铝电解槽上的立柱母线41 输入的电流一一接入到本铝电解槽的阳极并进行均化传输到铝电解槽内部的所有阳极上。阳极导杆211与进电接入口421分别位于阳极母线42的两侧。

再次参见图12，本实施例中电解槽的容量为400kA，共有10组阴极3、9 组阳极2，且在竖直方向上平行的相邻阴极3和阳极2共同构成一个小型独立的电解室，电解得到的铝液沉入槽底汇入聚铝沟111 内。本实施例中根据阴极的数量采用了三根立柱母线41进电，立柱母线41、阳极母线42、阴极母线43、阴极软母线44、阳极软母线45的材质均为金属铝。

本实施例可大幅度节约多室铝电解槽的阴极母线用量，母线用量由传统的 60吨/槽减少到10吨/槽，电解槽的投资降低效果明显；此外，由于彻底消除传统电解槽中电解质和铝液的界面扰动问题，无需设计阴极补偿母线对电解槽的磁流体进行优化，母线结构可以最简化，易于安装和维护，且具有显著的节能效果，电压降幅达500mV以上,以93％的电流效率计算，可节能1600kWh/t-Al，对于铝电解槽节能与经济运行具有重要意义。

结合参见图1和图16-19详细说明本实施例中铝电解槽中的集气装置。

如图1中所示，本实施例中的多室铝电解槽的槽体1上部通过电解槽上部结构5封盖，结合图16，电解槽上部结构5上设置有三组烟气集气管道，其中一级烟气集气管道51与槽体1内部空间直接连通，二级烟气集气管道52延伸至槽体1内部的阳极2上方，三级烟气集气管道53延伸至槽体1内部并通过阳极糊下料系统对接到自焙阳极顶部的阳极糊加料口。

另外，本实施例的槽体1通过两层密封结构实现封盖，其中在槽体1的顶部设置有将整个槽体内部空间密封的外部密封结构501，然后所有阳极2的阳极糊加料口上方的槽体内部还设置有内部密封结构502，均可采用盖板结构作为密封结构，其中在内部密封结构502的盖板上留有有供阳极糊下料系统的阳极糊加料管对接到各个阳极的阳极糊加料口的通道。

通过内部密封结构502和外部密封结构501构成的双层密闭结构对铝电解槽内部阳极自焙烧过程以及电解过程产生的烟气、烟尘进行密封，保证了槽内运行环境的高度密封。结合以上的双层密封结构，本实施例的三组烟气集气管道在槽体内部的具体布置情况如下。

其中，如图17和18，三级烟气集气管道53布置在外部密封结构501的槽盖板底部，该管道与阳极糊下料系统的阳极糊自动输送管221连通，三级烟气集气管道53连接负压，通过阳极糊自动输送管和阳极糊加料管内部的管腔延伸至槽体1内部各个阳极的阳极糊加料口位置，对阳极糊下料的过程中产生的烟尘进行收集，从阳极糊加料的源头将产生的粉尘进行收集，阳极糊加料管和阳极糊自动输送管一方面用于自动添加阳极糊，另一方面还可以利用从铝电解槽槽体内部抽吸的高温烟气对输送的阳极糊进行预热。

二级烟气集气管道52与三级烟气集气管道53并排布置在外部密封结构的槽盖板底部，二级烟气集气管道52为一根主管，其上分出若干支管连接到槽体内部对应各个阳极的吸气罩521。具体参见图17，吸气罩521布置在阳极2的上方，吸气罩521底部的吸气范围的覆盖对应阳极的整个上部区域，并距离阳极顶部高度0.5～2.0m，并通过吸气罩烟气主管道522连接到二级烟气集气管道 52，二级烟气集气管道52再连接外部负压。结合参见图19，吸气罩521在整个槽体1中位于内部密封结构502的槽盖板通道上方，内部密封结构502位于吸气罩521最下端吸气口的下部，与阳极糊加料管222一起将阳极2上部初步密封，二级烟气集气管道52通过负压将阳极2上方从三级烟气集气管道53逃逸的烟气进行补充收集。

一级烟气集气管道51直接连通到外部密封结构501和内部密封结构502之间的槽体空间，对槽体下半部熔体区域产生的部分从三级烟气集气管道和二级烟气集气管道逃逸到该部分区域内烟气进行负压抽吸，保证了整个铝电解槽槽体1内部的烟气全面收集。

在实际应用中，一级烟气集气管道51、二级烟气集气管道52和三级烟气集气管道53均通过负压进行烟气收集，负压大小根据铝电解槽的产能在 -2000Pa～-100Pa内设定，一般将一级烟气集气管道51、二级烟气集气管道52 和三级烟气集气管道53的负压逐渐减小设置，如一级烟气集气管道51的负压大小可为-1500Pa，二级烟气集气管道52的负压大小可为-800Pa，三级烟气集气管道53的负压大小可为-400Pa。铝电解槽的槽体内电解及焙烧的烟气通过三级吸气进行收集，保证了铝电解生产过程的烟气集气效果，所得不同浓度、不同温度的烟气分别经过一级烟气集气管道51、二级烟气集气管道52和三级烟气集气管道53送往烟气净化与余热回收。

本实施例的密闭集气系统可实现对采用连续运行的多室铝电解槽所产生的废气与余热进行集中处理与回收，实现电解槽的大气污染物的超低可控排放，此外，还可以改善电解槽保温状态，降低电解槽热损失，有效提升电解槽的能效水平。

本实施例中的多室节能铝电解槽，由于其有效电解面积比先行传统电解槽远大，故电解槽长度可缩短至现行的一半，本实施例中为10m；宽度亦可根据阳极和阴极的长度自行选择，本实施例中为3.5m。该多室节能铝电解槽可实现连续阳极生产，消除了阳极更换对电解槽的不良影响，最重要的是，可将极距设定至临界水平，本实施例中，极距可设置为1cm，而现行电解槽中的极距为 4.5cm、平均电解质压降可达1.5V，则本实施的极间的电压可降低约1.167V，按照平均电流效率93％计算，节电量可达3700kWh/t-Al，铝电解能耗由现行平均 12000kWh/t-Al降低至8300kWh/t-Al，对于我国年产3000万吨的铝电解产业来说，节能效果巨大，经济效益可观。

以上实施例描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的具体工作原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种可连续运行的多室节能铝电解槽，其特征在于：所述电解槽内部在水平方向交替布置阳极和阴极，所述阳极和阴极相互之间竖直平行固定在电解槽内部，并具有相同尺寸的电解区域，相邻的阳极和阴极之间形成至少两个电解室；

所述铝电解槽的内衬结构设置在铝电解槽的槽壳内壁，包括槽膛侧部和槽膛底部，所述槽膛底部的底面朝一侧倾斜，并在较低的一侧设置相对槽膛底面凹陷的聚铝沟，所述聚铝沟靠近铝电解槽的阳极进电侧设置，并且聚铝沟的宽度不大于阳极和阴极到该侧槽膛侧部之间的最小垂直距离；

所述阳极为板状自焙阳极，通过阳极导杆悬吊固定在铝电解槽内部，其上方设置有阳极糊下料系统；

所述阴极为板状预焙阴极，并且沿竖直方向固定设置在铝电解槽的槽膛底部，所述阴极包括阴极炭块和阴极导电钢棒，所述阴极炭块为板状结构，所述阴极导电钢棒包括埋设在阴极炭块内部的水平集流钢棒、垂直导电钢棒和电流均化钢棒，所述水平集流钢棒沿阴极炭块的长度方向水平布置在阴极炭块的下半部，其中水平集流钢棒的一端伸出阴极炭块至铝电解槽外部，作为阴极母线连接端，若干所述垂直导电钢棒一端固定连接在水平集流钢棒上，另一端沿阴极炭块高度方向布置，每个所述垂直导电钢棒上连接有若干沿阳极厚度方向布置的电流均化钢棒；

所述电解槽内部还布置有对接到各个电解室上方的氧化铝下料系统。

2.根据权利要求1所述的一种可连续运行的多室节能铝电解槽，所述阳极包括阳极框架以及阳极框架内部填装的自焙阳极糊；所述阳极框架为竖直置于铝电解槽内部的板状框架，框架底面封闭，框架竖向侧面设置内部阳极与电解质接触的镂空结构，框架顶面设置有加料口，所述阳极糊下料系统的下料口置于加料口的上方。

3.根据权利要求2所述的一种可连续运行的多室节能铝电解槽，所述自焙阳极糊内埋设有水平集流钢爪、垂直集流钢爪以及水平电流均化钢爪，所述水平集流钢爪沿阳极的上部长度方向布置，并且与伸出阳极顶部的阳极导杆固定连接，若干所述垂直集流钢爪一端与水平集流钢爪连接，另一端沿高度方向向下布置，每个所述垂直集流钢爪上连接有若干沿阳极厚度方向布置的水平电流均化钢爪。

4.根据权利要求1所述的一种可连续运行的多室节能铝电解槽，所述铝电解槽内部所有阳极的阳极导杆并联汇集到同一根阳极母线上，所述铝电解槽内部所有阴极的水平集流钢棒从铝电解槽同一侧伸出，并通过阴极母线并联汇集到立柱母线上，所述立柱母线连接至电源负极或者接入下一串联电解槽的阳极母线，所述阳极母线连接至电源正极或者接入上一串联电解槽的立柱母线。

5.根据权利要求1所述的一种可连续运行的多室节能铝电解槽，所述槽膛底部的底面与水平面夹角为3～8°。

6.根据权利要求1所述的一种可连续运行的多室节能铝电解槽，所述阳极糊下料系统包括阳极糊自动输送管和阳极糊加料管，所述阳极糊自动输送管位于铝电解槽内部所有阳极框架的上方，内部设有阳极糊自动输送设备，若干与阳极框架一一对应的阳极糊加料管一端连接在阳极糊自动输送管上，另一端延伸至阳极框架的加料口上方。

7.根据权利要求1或6所述的一种可连续运行的多室节能铝电解槽，所述铝电解槽顶部封盖，电解槽上部结构设置有三组烟气集气管道，其中一级烟气集气管道与槽体内部空间直接连通，二级烟气集气管道延伸至槽体内部的阳极上方，三级烟气集气管道延伸至槽体内部并通过阳极糊下料系统的内部管路对接到自焙阳极顶部的阳极糊加料口。

8.根据权利要求7所述的一种可连续运行的多室节能铝电解槽，所述铝电解槽的顶部设置有将整个槽体内部空间密封的外部密封结构，所述阳极糊加料口上方与外部密封结构之间的槽体内部还设置有内部密封结构，所述内部密封结构上设置有供阳极糊下料系统一一对接到各个阳极的阳极糊加料口的通道；

其中，所述外部密封结构和内部密封结构之间的空间与一级烟气集气管道直接连通，所述内部密封结构的通道上方设置吸气罩，所述吸气罩与二级烟气集气管道连通。

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