CN111321426A - 以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置及氯化铝给料方法 - Google Patents

以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置及氯化铝给料方法 Download PDF

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Abstract

一种以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置及氯化铝给料方法，属于电解铝技术领域。该装置通过在阴极和双极性电极的阴极端内部设有气态AlCl3通气槽，在每个气态AlCl3通气槽内，向阴极和双极性电极的阴极端表面设置有多个分布式给料管道，用于和电极上方的电解室相通，多个气态AlCl3通气槽通过总给料管道和气态AlCl3入口连通。并结合该装置通过阴极和阴极端内部通入直接通入气态AlCl3进行熔盐电解制备铝，得到金属液态铝。该方法保证了阴极区熔盐中的[Al]3+浓度，从而实现高效AlCl3电解法生产铝，并且该方法能够在保持AlCl3电解法生产铝的优点的基础上，提高生产效率，降低能耗。

Description

以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置及氯化铝给料 方法
技术领域
本发明涉及电解铝技术领域，具体涉及一种以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置及氯化铝给料方法。
背景技术
传统铝冶炼是使用冰晶石-氧化铝熔盐电解法生产，电解温度在930～1000℃范围内，原料为氧化铝。此种方法，单位电能消耗率为13～15kW·h/kgAl，工业炭阳极在电解时会产生CO2，并不断消耗，使用一段时间后，需要更换阳极，增加了工人的劳动强度；此外，阳极产生的CO2、CF4和C2F6是温室效应气体，产生的SO2会造成环境的污染。
上世纪七十年代，提出了一种以固态氯化铝作为原料，采用熔盐电解的方法制备金属铝的方法，该氯化铝熔盐电解法相对于冰晶石-氧化铝熔盐电解法，具有如下优点：电解温度更低；电流密度大，单位面积的产率更高；电解槽极距较小，电解电能消耗较低；不消耗炭阳极，没有更换阳极操作，减少了人工劳动强度，降低了生成成本；电解产生的氯气可以用来氯化铝土矿或氧化铝来生产氯化铝，整个电解过程不会排放温室效应气体和污染环境的气体；可以免除磁场的影响。
然而，在该氯化铝熔盐电解法工艺中，采用的原料为固体AlCl3，而工业上常采用焦炭氯化法生产AlCl3，其直接制备的就是AlCl3气体，如果可以在电解过程中直接加入气态AlCl3，一方面，可以节约成本，另一方面，气态AlCl3在氯化物熔盐中的溶解速度较固体AlCl3更快，更有利于电解的进行。
发明内容
为了实现上述目的，本发明提出了一种以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置及氯化铝给料方法，在该氯化铝给料方法中，使用的电解槽为多室槽，设置的双极性电极纵向布置，通过将气态AlCl3经由阴极和阴极端内部通入电解溶剂中，保证了阴极区熔盐中的[Al]3+浓度，从而实现高效AlCl3电解法生产铝，该方法能够在保持AlCl3电解法生产铝的优点的基础上，提高生产效率，降低能耗。
本发明提出的一种以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置，为以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的电解槽，该电解槽为多室槽，其包括壳体，壳体密闭形成腔体，在壳体上端设置有氯气出口，在壳体腔体的下部为储铝区域；储铝区域上方的腔体为电解区域，在电解区域内，从上至下，分布设置有电极组，电极组中的各个电极将电解区域分割形成多个电解室；电极组分为阴极、阳极和双极性电极，在电极组上端为阳极，电极组下端为阴极，在阴极和阳极之间设置有N个双极性电极，其中，N为大于等于1的正整数；双极性电极上部为阴极端，下部为阳极端；在阴极和双极性电极的阴极端内部设有气态AlCl3通气槽，在每个气态AlCl3通气槽内，向阴极和双极性电极的阴极端表面设置有多个分布式给料管道，用于和电极上方的电解室相通，多个气态AlCl3通气槽通过总给料管道和气态AlCl3入口连通。
所述的分布式给料管道的总面积占阴极端面积的百分比为10-30％。
所述的以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置中，在阳极和双极性电极的阳极端设置有多个凹槽，用于避免阳极和阳极端电解产生的氯气形成大气泡，通过凹槽的作用，增加气泡的逸出速率；凹槽形状优选为方形或梯形。
所述的以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置中，在阴极和双极性电极的阴极端设置一层二硼化钛层，有利于改善阴极电解产生的铝液与阴极和阴极端的湿润性，使得生成的铝液更好的平铺在阴极和阴极端表面。
电极组中相邻两个电极的垂直距离为极距，极距可以控制在5-10mm，有利于提高电流效率，减少电能消耗。
电解槽壳体为双层材质，外层为不锈钢层，内层为保温层，保温层材质为轻质保温砖或耐火砖。
在电解区域内壁设置有非导电性耐火材料层，非导电性耐火材料层为碳化硅层或者塞隆陶瓷材料。
电解槽还包括加热体，用于对电解质进行加热，作为启动电解的加温设备，所述的加热体优选为碳硅棒。
进一步的，当以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的电解槽为方形电解槽时，电极组中的每个电极通过吊臂和/或耐火柱支撑固定在壳体腔体内；在每个电极和壳体内表面留设有空隙。所述的电极组中的电极和水平方向有倾角，倾角的角度优选为1.5°～30°。
当以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的电解槽为圆柱形电解槽时，电极组中的每个电极为凹型锥盘结构或凸型倒锥盘结构，当为凹型锥盘结构时，其上下表面均由圆周向中心向下成锥度，锥角为120°～177°；当为凸型倒锥盘结构时，其上下表面均由圆周向中心向上成锥度，锥角为120°～177°；电极组中的每个电极通过吊臂和/或耐火柱支撑固定在壳体腔体内，每个电极和壳体内表面留设有空隙，每个电极中心处设置有通孔。
所述的双极性电极优选为炭材料双极性电极，阴极优选为炭材料阴极，阳极优选为炭材料阳极。
进一步的，所述的氯气出口连接气体提升泵，气体提升泵用于将电解时产生的氯气抽取出电解槽。
所述的以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置中，在储铝区域的壳体侧壁上设置有出铝口或在储铝区域设置有出铝管道，出铝管道的进铝口设置在储铝区域，并浸没在金属液态铝中，出铝管道的出铝口设置在壳体腔体外部。金属液态铝通过设置在电解槽下端的出铝口排出，或通过设置的出铝管道由泵抽出。
本发明提出的以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的氯化铝给料方法，电解过程包括以下步骤：
(1)在整个电解槽中，加入氯化物-氟盐混合熔盐，对熔盐进行加热，达到其熔融温度后，保温，得到电解溶剂；其中，电解溶剂的加入量为充分浸没电极组，并在其上方留有空间；
(2)将气态AlCl3通过气态AlCl3入口，经由气态AlCl3通气槽进入分布式给料管道，通入到以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的电解槽的多个电解室中；其中，气态AlCl3的温度为200-800℃，压力为133-1330Pa，通入速率为1.5-62.6cm3/s·cm2；
(3)将阴极、阳极通电，根据电解质的初晶温度控制电解温度为670～800℃，电解电流密度为0.5-3.0A/cm2，通入的气态AlCl3，与电解溶剂混合，并溶解在电解溶剂中，形成多元电解体系，AlCl3在熔盐中电解，在阴极表面和双极性电极的阴极端表面生成金属液态铝，在阳极表面或双极性电极的阳极端表面生成氯气，氯气经过氯气出口排出后收集，金属液态铝流入储铝区域汇集，经由出铝口或通过出铝管道排出收集。
所述的步骤(1)中，氯化物-氟盐混合熔盐，为以碱金属氯化物和/或碱土金属氯化物作为氯化物，加入含氟添加剂的混合熔盐，其中，含氟添加剂占氯化物-氟盐混合熔盐的质量百分含量为0～5％，氯化物具体为NaCl、KCl、LiCl、MgCl2、CaCl2中的一种或几种组分的混合物；含氟添加剂包括：LiF、NaF、KF、AlF3、Na3AlF6、K3AlF6、Li3AlF6的一种或多种。含氟添加剂促进了铝的聚合、抑制氯化物的水解、降低电解质的初晶温度、可显著提高电解过程的电流效率。
本发明提出的一种以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置及氯化铝给料方法，其特点是：
1、本发明所用的原料为气态氯化铝，通过设置在阴极和双极性电极内部的气体通道通入阴极端表面；
2.在阳极和双极性阳极端表面进行开槽，防止形成大的气泡，减小气泡在阳极停留的时间，在阴极和双极性电极的阴极端设置一层二硼化钛层，有利于改善阴极电解产生的铝液与阴极/阴极端的湿润性，使得生成的铝液更好的平铺在阴极/阴极端表面。因此，电极组中相邻两个电极的垂直距离可以控制在5～10mm，有利于提高电流效率，减少电能消耗。
3、相对于以固态氯化铝为原料的氯化铝熔盐电解法生产金属铝，采用以气态氯化铝为原料，一方面，氯化铝在熔盐中的溶解速度更快，另一方面，可以以直接氯化氧化铝或含铝矿产生的气态氯化铝为原料，能耗更低；同时，采用多孔阴极向熔盐中通入氯化铝，更有利于氯化铝的均匀分布；此外，阳极/阳极端开槽和阴极/阴极端二硼化钛层的使用，可以在低极距下进行电解。上述措施有利于提高电流效率，减少电能消耗，电解过程的电流效率可达95％，电解的单位电能消耗降至8kW·h/kgAl。
附图说明
图1是本发明实施例1中，采用本发明气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的氯化铝给料方法中的方形电解槽结构剖面示意图。
图2是本发明实施例1中，采用本发明气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的氯化铝给料方法中的方形电解槽所用的双极性电极内部结构示意图。
图3是本发明实施例1中，采用本发明气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的氯化铝给料方法中的方形电解槽所用的双极性电极侧面剖视图。
图4是本发明实施例2中，采用本发明气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的氯化铝给料方法中的圆柱形电解槽(电极为凹型锥盘结构)结构剖面示意图。
图5是本发明实施例2中，采用本发明气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的氯化铝给料方法中的圆柱形电解槽(电极为凹型锥盘结构)所用的双极性电极整体结构示意图。
图6是本发明实施例2中，采用本发明气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的氯化铝给料方法中的圆柱形电解槽(电极为凹型锥盘结构)所用的双极性电极侧面剖视图。
图7是本发明实施例2中，采用本发明气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的氯化铝给料方法中的圆柱形电解槽(电极为凹型锥盘结构)所用的双极性电极俯视图。
图8是本发明实施例3中，采用本发明气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的氯化铝给料方法中的方形电解槽结构剖面示意图。
图9是本发明实施例4中，采用本发明气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的氯化铝给料方法中的圆柱形电解槽(电极为凹型锥盘结构)结构剖面示意图。
图10是本发明实施例5中，采用本发明气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的氯化铝给料方法中的圆柱形电解槽(电极为凸型倒锥盘结构)结构剖面示意图。
以上图中：1、壳体，101为不锈钢层，102为保温层，103为非导电性耐火材料层，104为炭材质层，2、阳极，3、双极性电极，301为阳极端，302为凹槽，303为阴极端，4、阴极，5、阳极电极导杆，6、阴极电极导杆，7、气态氯化铝通道，701为总给料管道，702为气态AlCl3通气槽，703为分布式给料管道，8、电解室，9、氯气出口，10、出铝口，11、耐火柱；a为电解质，b为气态氯化铝，c为液态铝，d为氯气。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一种以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置，其为方形电解槽结构，如图1所示，以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置包括壳体，壳体为双层材质，外层为不锈钢层101，不锈钢层101内衬砌有耐火砖，耐火砖是由不导电并保温的材质制成，而且对氯化物体系有一定的耐腐蚀作用。以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置的下部是储铝区域，用于储存阴极流下的液态铝。储铝区域中，其壳体的底部和侧壁为炭材质层104，炭材质层由石墨制成。
以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置顶部的壳体上设置有通孔，是用于排出氯气的出口，为氯气出口9。在电解槽的储铝区域的壳体侧部，留有出铝口10。
电解槽内在储铝区域上方是电解区域，在电解区域设置是多个板状电极，并沿水平方向呈10°倾斜角设置，板状电极通过吊臂吊装在壳体内表面，板状电极和壳体内表面之间留设有空隙。
板状电极包括设置在电解区域上端的阳极2，若干个双极性电极3(示出两个)和下端的阴极4，电极都是石墨材质制成。在相邻两个电极之间留设有间隙形成电极间空间作为电解室8，电解室8用于电解，电解生成的液态铝会沿着倾斜角流下来。
在双极性电极3中，下端为阳极端301，在阳极2和双极性电极3的阳极端301设置有多个凹槽302，上端为阴极端303，在阴极端表面涂覆TiB2，改善阴极表面与液态铝的润湿性。该设计可使电解槽的阴极-阳极间距降低到8mm。在阴极4和双极性电极3的阴极端303的侧壁向内部均开设有一个气态AlCl3通气槽702，在每个气态AlCl3通气槽702内，向阴极4和双极性电极3的阴极端303表面设置有多个分布式给料管道703，用于和电极上方的电解室相通，多个板式电极中的气态AlCl3通气槽702通过总给料管道701和气态AlCl3入口连通。分布式给料管道703的总面积占阴极端面积的百分比为30％。其中，多个板式电极中的气态AlCl3通气槽分别和总给料管道701的分路连通，总给料管道的分路穿过壳体侧壁，总给料管道的气态AlCl3入口设置在壳体外侧，双极性电极的立体内部结构示意图见图2，其侧面剖视图见图3。
在阳极2内插入阳极电极导杆5，阴极4内也插入阴极电极导杆6，电极导杆用作电流引线。阳极电极导杆5和阴极电极导杆6延伸穿过保温层102并与不锈钢层绝缘。
阳极2上产生的氯气可以使用气体提升泵从电解槽内抽出来。
一种以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的氯化铝给料方法，采用本实施例的以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置，包括以下步骤：
(1)在整个以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置中，加入氯化物-氟盐熔盐作为电解溶剂，本实施例为含NaCl质量百分含量为88％、NaF的质量百分含量为3％的NaCl-KCl-NaF混合熔盐，对熔盐进行加热，达到熔盐熔融温度后，保温，得到电解溶剂；其中，电解溶剂的加入量为充分浸没电极组，并在其上方留有空间；
(2)将气态氯化铝b通过气态AlCl3入口，经由各个电极的气态AlCl3通气槽702进入分布式给料管道703，再进入以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置的多个电解室8中；其中，气态AlCl3的温度为700℃，压力为1330Pa，通气速率为12.6cm3/s·cm2；
(3)将阴极4、阳极2通入100A直流电，控制电解温度为700～720℃，电解电流密度为2A/cm2，通入的气态AlCl3，与电解溶剂混合，并溶解在电解溶剂中，形成多元电解质a，AlCl3在熔盐中电解，在阴极表面和双极性电极的阴极端表面生成金属液态铝c，在阳极表面或双极性电极的阳极端表面生成氯气d，氯气d通过氯气出口9排出后收集，金属液态铝c通过吊臂上设置的通孔，流入储铝区域汇集，经由出铝口10排出收集。
经过120小时的电解，计算得电流效率为94.7％，能耗为8.4kW·h/kgAl。
实施例2
一种以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置，其为圆柱形电解槽，其结构剖面示意图见图4，包括壳体，壳体为双层材质，外层为不锈钢层101，本实施例采用钢层，内层为保温层102，本实施例采用的保温层材质耐火砖。
壳体密闭形成腔体，在壳体上端设置有氯气出口9，在壳体腔体的下部为储铝区域，在储铝区域的腔体内壁上设置有炭材质层104，设置有在储铝区域的壳体侧壁设置有出铝口10；储铝区域上方的腔体为电解区域，在电解区域内壁设置有非导电性耐火材料层103，在电解区域内，从上至下，分布设置有电极组，电极组中的各个电极将电解区域分割形成多个电解室8，使得电解槽为多室槽，相邻两个电极之间设置有耐火柱11；电极组分为阴极4、阳极2和双极性电极3，在电极组上端为阳极2，电极组下端为阴极4，在阴极4和阳极2之间设置有N个双极性电极，纵向配置，其中，本实施例中，N＝2；双极性电极为圆盘开槽双极性电极，双极性电极3上部为阴极端，下部为阳极端，在阳极2表面和双极性电极3的阳极端表面均设置有多个凹槽，用于避免生成的Cl2形成大气泡，从而加快气泡的逸出速率。在阴极4和双极性电极3的阴极端设置一层二硼化钛层，改善阴极表面与液态铝的润湿性，该设计可使电解槽的阴极-阳极间距降低到7mm。在阴极4和双极性电极3的阴极端的侧壁向内部均开设有气态AlCl3通气槽702，在每个气态AlCl3通气槽702内，向阴极和双极性电极的阴极端表面设置有多个分布式给料管道703，用于和电极上方的电解室8相通，分布式给料管道703的总面积占阴极端面积的百分比为10％。每个电极的气态AlCl3通气槽702通过总给料管道701和气态AlCl3入口连通，其中，总给料管道701设置有分路，各个分路和气态AlCl3通气槽702连通，总给料管道701的分路穿过壳体侧壁，总给料管道的气态AlCl3入口设置在壳体外侧。圆盘开槽双极性电极结构示意图见图5，其剖面图见图6，其俯视图见图7。
所述的以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置，还包括加热体，用于对电解质进行加热，作为启动电解的加温设备，所述的加热体优选为碳硅棒。
所述阳极2上设置有阳极电极导杆5，在阴极4上设置有阴极电极导杆6，阳极电极导杆5和阴极电极导杆6用于通电。
所述的以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置中，电极组中相邻两个电极的垂直距离为7mm，相邻两个电极之间设置的耐火柱，用于调节电极之间的垂直距离，并起到支撑电极组的作用。
实施例中，电极组中的每个电极为凹型锥盘结构，其上下表面均由圆周向中心向下成锥度，锥角为177°，电极组中的相邻两个凹型锥盘结构的电极设置有耐火柱11，耐火柱11直接设置在壳体底部，并起到间隔支撑作用，在凹型锥盘结构的电极和壳体内表面之间留有空间，在凹型锥盘结构的电极中心端面上设置有通孔；本实施例中，双极性电极3为炭电极，阳极为炭电极，阴极为炭电极。
在所述的氯气出口9连接气体提升泵，气体提升泵用于将电解时产生的氯气抽取出电解槽。
所述的储铝区域设置有倾角，利于金属液态铝通过出铝口排出。
一种以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的氯化铝给料方法，采用本实施例的以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置，包括以下步骤：
(1)在整个以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置中，加入氯化物混合熔盐组分作为电解溶剂，本实施例为含NaCl质量百分含量为68％、Na3AlF6的质量百分含量为2％的NaCl-CaCl2-Na3AlF6混合熔盐，用加热体对混合熔盐进行加热，达到混合熔盐熔融温度后，保温，得到电解溶剂；其中，电解溶剂的加入量为充分浸没电极组，并在其上方留有空间；
(2)将气态氯化铝b通过气态AlCl3入口，经由气态AlCl3通气槽702通过分布式给料管道703进入以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置的多个电解室8中；其中，气态AlCl3的温度为800℃，压力为1330Pa，通气速率为62.6cm3/s·cm2；
(3)将阴极4、阳极2通入100A直流电，控制电解温度为785-800℃，电解电流密度为3A/cm2，通入的气态AlCl3，与电解溶剂混合，并溶解在电解溶剂中，形成多元电解质a，AlCl3在熔盐中电解，在阴极表面和双极性电极的阴极端表面生成金属液态铝c，在阳极表面或双极性电极的阳极端表面生成氯气d，氯气d通过氯气出口9排出后收集，金属液态铝c通过凹型锥盘结构的通孔流入储铝区域汇集，经由出铝口10排出收集。
经过150小时的电解，计算得电流效率为94.5％，能耗为8.7kW·h/kgAl。
实施例3
一种以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置，同实施例1，不同之处在于：
本实施例采用的电解质溶剂为含LiCl质量百分含量为16％、LiF的质量百分含量为5％的LiCl-CaCl2-LiF混合熔盐，电解温度为670-690℃，极距为10mm，其结构示意图见图8，具体结构不同在于：
(1)在板状电极和壳体内表面留设的通道中设置有出铝管道，出铝管道的进铝口设置在储铝区域，并浸没在金属液态铝中，出铝管道的出铝口设置在壳体腔体外部，并且出铝管道通过设置在壳体上方的出口穿出，出铝管道的出铝口连通有泵，通过泵将生成的液态铝抽出。
(2)多个板式电极中的气态AlCl3通气槽分别和总给料管道701连通，总给料管道设置在壳体内部，总给料管道的气态AlCl3入口设置在壳体上方。
实施例4
一种以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置，其结构示意图见图9，同实施例2，不同之处在于：
本实施例采用的电解质溶剂为含LiCl质量百分含量为11％的LiCl-KCl混合熔盐，电解温度为710-730℃，极距为6mm，具体结构不同在于：
(1)在壳体内设置有出铝管道，出铝管道的进铝口设置在储铝区域，并浸没在金属液态铝中，出铝管道通过壳体上方设置的出口穿出，出铝管道的出铝口设置在壳体腔体外部，并且，出铝管道的出铝口连通有泵，通过泵将生成的液态铝抽出。
(2)多个电极中的气态AlCl3通气槽分别和总给料管道连通，总给料管道设置在电极和壳体内表面留设的通道中，总给料管道的气态AlCl3入口设置在壳体上方。
实施例5
一种以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置，其结构示意图见图10，同实施例4，不同之处在于：
本实施例中采用的电解质溶剂为NaCl质量百分含量81％、LiCl质量百分含量为7％、Li3AlF6的质量百分含量为2％的混合熔盐，电解温度为680-700℃，极距为5mm，具体结构不同在于：
(1)本实施例中，电极组中的每个电极为凸型倒锥盘结构，其上下表面均由圆周向中心向上成锥度，锥角为120°，电极组中的相邻两个凸型倒锥盘结构的电极设置有耐火柱11，耐火柱11直接设置在壳体底部，并起到间隔支撑作用，在凸型倒锥盘结构的电极和壳体内表面之间留有空间，在凸型倒锥盘结构的电极中心端面上设置有通孔。
(2)设置有总给料管道，多个电极中的气态AlCl3通气槽分别和总给料管道连通，总给料管道的气态AlCl3入口设置在壳体上方。
(3)在壳体内设置有出铝管道，出铝管道的进铝口设置在储铝区域，并浸没在金属液态铝中，出铝管道从壳体穿出，出铝管道的出铝口设置在壳体腔体外部，并且出铝管道的出铝口连通有泵，通过泵将生成的液态铝抽出。

Claims (10)

1.一种以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置，其特征在于，该以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置是为以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的电解槽，该电解槽为多室槽，其包括壳体，壳体密闭形成腔体，在壳体上端设置有氯气出口，在壳体腔体的下部为储铝区域；储铝区域上方的腔体为电解区域，在电解区域内，从上至下，分布设置有电极组，电极组中的各个电极将电解区域分割形成多个电解室；电极组分为阴极、阳极和双极性电极，在电极组上端为阳极，电极组下端为阴极，在阴极和阳极之间设置有N个双极性电极，其中，N为大于等于1的正整数；双极性电极上部为阴极端，下部为阳极端；在阴极和双极性电极的阴极端内部设有气态AlCl3通气槽，在每个气态AlCl3通气槽内，向阴极和双极性电极的阴极端表面设置有多个分布式给料管道，用于和电极上方的电解室相通，多个气态AlCl3通气槽通过总给料管道和气态AlCl3入口连通；其中，分布式给料管道的通孔总面积占阴极端或阴极的面积百分比为10-30％。
2.根据权利要求1所述的以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置，其特征在于，在阳极和双极性电极的阳极端设置有多个凹槽，用于避免阳极和阳极端电解产生的氯气形成大气泡，通过凹槽的作用，增加气泡的逸出速率。
3.根据权利要求1所述的以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置，其特征在于，所述的以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置中，在阴极和双极性电极的阴极端设置一层二硼化钛层，用于改善阴极电解产生的铝液与阴极和阴极端的湿润性，使得生成的铝液更好的平铺在阴极和阴极端表面。
4.根据权利要求1所述的以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置，其特征在于，电极组中相邻两个电极的垂直距离为极距，极距控制在5-10mm。
5.根据权利要求1所述的以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置，其特征在于，电解槽壳体为双层材质，外层为不锈钢层，内层为保温层，保温层材质为轻质保温砖或耐火砖；
在电解区域内壁设置有非导电性耐火材料层，非导电性耐火材料层为碳化硅层或者塞隆陶瓷材料。
6.根据权利要求1所述的以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置，其特征在于，当以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的电解槽为方形电解槽时，电极组中的每个电极通过吊臂和/或耐火柱支撑固定在壳体腔体内；在每个电极和壳体内表面留设有空隙；所述的电极组中的电极和水平方向有倾角，倾角的角度为1.5°～30°；
当以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的电解槽为圆柱形电解槽时，电极组中的每个电极为凹型锥盘结构或凸型倒锥盘结构，当为凹型锥盘结构时，其上下表面均由圆周向中心向下成锥度，锥角为120°～177°；当为凸型倒锥盘结构时，其上下表面均由圆周向中心向上成锥度，锥角为120°～177°；电极组中的每个电极通过吊臂和/或耐火柱支撑固定在壳体腔体内，每个电极和壳体内表面留设有空隙，每个电极中心处设置有通孔。
7.根据权利要求1所述的以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置，其特征在于，所述的双极性电极为炭材料双极性电极，阴极为炭材料阴极，阳极为炭材料阳极。
8.根据权利要求1所述的以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置，其特征在于，所述的以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置中，在储铝区域的壳体侧壁上设置有出铝口或在储铝区域设置有出铝管道，出铝管道的进铝口设置在储铝区域，并浸没在金属液态铝中，出铝管道的出铝口设置在壳体腔体外部；金属液态铝通过设置在电解槽下端的出铝口排出，或通过设置的出铝管道，由泵抽出。
9.一种以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的氯化铝给料方法，其特征在于，采用权利要求1-8所述的以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的装置，其电解过程包括以下步骤：
(1)在整个电解槽中，加入氯化物-氟盐混合熔盐，对熔盐进行加热，达到其熔融温度后，保温，得到电解溶剂；其中，电解溶剂的加入量为充分浸没电极组，并在其上方留有空间；
(2)将气态AlCl3通过气态AlCl3入口，经由气态AlCl3通气槽进入分布式给料管道，通入到以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的电解槽的多个电解室中；其中，气态AlCl3的温度为200-800℃，压力为133-1330Pa，通入速率为1.5-62.6cm3/s·cm2；
(3)将阴极、阳极通电，根据电解质的初晶温度控制电解温度为670～800℃，电解电流密度为0.5-3.0A/cm2，通入的气态AlCl3，与电解溶剂混合，并溶解在电解溶剂中，形成多元电解体系，AlCl3在熔盐中电解，在阴极表面和双极性电极的阴极端表面生成金属液态铝，在阳极表面或双极性电极的阳极端表面生成氯气，氯气经过氯气出口排出后收集，金属液态铝流入储铝区域汇集，经由出铝口或通过出铝管道排出收集。
10.根据权利要求9所述的以气态氯化铝为原料熔盐电解制备铝的氯化铝给料方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，氯化物-氟盐混合熔盐，为以碱金属氯化物和/或碱土金属氯化物作为氯化物，加入含氟添加剂的混合熔盐，其中，含氟添加剂占氯化物-氟盐混合熔盐的质量百分含量为0～5％，所述的氯化物具体为NaCl、KCl、LiCl、MgCl2、CaCl2中的一种或几种组分的混合物，含氟添加剂包括：LiF、NaF、KF、AlF3、Na3AlF6、K3AlF6、Li3AlF6的一种或多种。
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