CN112239873B - 一种铝电解工艺参数优化方法以及铝电解槽组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝电解工艺参数优化方法以及铝电解槽组，方法包括如下步骤：1)根据预设的最优标准寻找一个或多个运行最优铝电解槽；2)获取所述运行最优铝电解槽的工艺参数作为优化工艺参数；3)按照所述优化工艺参数对其他被控电解槽进行控制；所述最优标准至少包括，电流效率高于设定电流效率值，且槽平均工作电压低于设定槽平均工作电压值；所述优化工艺参数包括以下参数中的一个或者两个以上的组合：电解质温度、电解质分子比、氧化铝浓度和极距。本发明的方法通过直接将现有运行良好的电解槽的工艺参数复制到其他运行一般的电解槽上，跳出复杂的工艺参数控制模型和相关计算，实现电解槽控制上的精简。

Description

一种铝电解工艺参数优化方法以及铝电解槽组

技术领域

本发明涉及一种铝电解工艺参数优化方法以及铝电解槽组，属于铝电解槽节能技术领域。

背景技术

铝电解工业生产采用冰晶石—氧化铝融盐电解法。所谓冰晶石—氧化铝融盐就是以冰晶石为主的氟化盐作为熔剂，氧化铝为熔质组成的多相电解质体系。以碳素体作为阳极，铝液作为阴极，通入强大的直流电后，在920℃-970℃下，在电解槽内的两极上进行电化学反应。化学反应主要通过以下方程进行：2Al₂O₃+3C＝4Al+3CO₂。阳极产物主要是二氧化碳和一氧化碳气体，阴极产物是铝液。

如图1所示的铝电解槽示意图，包括阴极1、阳极导电棒2、阳极母线3、打壳下料机构4、集气罩5、阳极碳块6、槽帮结壳7、侧壁内衬8、阴极棒9、槽壳10、防渗隔热材料11、电解质12、铝水13、烟道口14。通电后，电流依次通过阳极碳块6、电解质12、铝水13、阴极1、阴极棒9，电解生成的铝水形成在阴极1上。电解质12开始结晶时的温度为初晶点或初晶温度，电解质12的温度和初晶点的差为过热度。阳极碳块6到铝水13表面的距离为极距。电解过程中，电解质通过槽侧壁散热，靠近槽侧壁的电解质凝固形成槽帮结壳7，槽帮结壳7的形状由电解质温度决定，温度高则熔化一部分，温度低则槽帮结壳7变厚。

2017年我国铝电解用电量高达5000亿kWh，整个电解铝行业耗电量占到全国总用电量的9％以上，电解铝能量利用率不到50％，因此，铝电解生产的高能耗、低能效是一个较为严重的问题。

吨铝的直流电耗等于2980×平均电压/电流效率。低温及低电压工艺，是实现电解铝节能的两大途径。研究表明，电解温度每降低10℃，电流效率约提高1％，吨铝节电140度。但是，低温状态下电解质导电性能、氧化铝溶解性能、添加剂种类及添加方法等均对电解过程产生影响，因没有找到适宜的低温电解质体系，制约了低温电解在大型铝电解槽上的工业化应用。

而平均电压每降低0.1V，吨铝节电320度，因此，降低铝电解槽的槽电压，提高电流效率，从而实现节能是目前电解铝行业实现节能的主要途径。

然而，在铝电解生产过程中，槽电压是电解槽能量平衡中众多相互耦合的变量之一，电解槽能量平衡中任何变量的改变都会引起电解槽现有的平衡被打破，若不能控制其他变量使电解槽达到新的能量平衡，槽内铝电解反应会受到影响，电解槽的运行也会变得不稳定甚至电解槽遭到损坏。例如，极距的减小会减小槽电压，导致输入到电解槽中的能量减少，直接影响就是使电解质的温度降低和过热度降低，同时导致槽帮结壳及伸腿变厚，改变炉帮形状，影响槽内电流分布和电解槽的电磁稳定性。而能量平衡的打破和改变又会影响到槽内的物料平衡(氧化铝和氟化铝成分的稳定)，例如槽帮结壳和伸腿的熔化或变厚会影响电解质水平，改变氧化铝浓度，电解质温度的改变会影响氧化铝的溶解度；最终会改变电解质的分子比和初晶点，而初晶温度的改变又会反过来影响过热度，过热度又会引起一系列的参数和变量的改变。也就是说电解槽的能量平衡和物料平衡不是相互独立的，而是能量平衡和物料平衡中每个参数每个变量之间都存在耦合关系，是互相关联互相影响的，因此在现有技术中，同时控制好电解槽的能量平衡和物料平衡才能取得好的技术经济指标和保证电解槽稳定运行。

对于电解槽能量平衡和物料平衡的控制，在目前的铝电解生产过程中，如图2所示的现行铝电解工艺与临界稳定控制系统，通过采集槽状态参数判断槽况，然后通过调整极距、电压、电流、铝水平来调整电解槽的能量平衡；继续基于槽况预估再通过氧化铝和氟化盐的合理加料制度来调整电解槽的物料平衡。通过槽内两种平衡的协调配合下，保证电解槽电化学反应的基本条件，同时维持电解槽及电解反应的稳定，并且尽可能的提高电流效率实现节能。即从输入端进行调节，实现电解铝稳定性及节能控制。

但是由于电解槽可用于控制系统的实时采集数据极少，加之能量平衡和物料平衡互相影响，很难同时实现电解反应的稳定和提高电流效率实现最大程度的节能，现实情况往往是为了保证电化学反应的基本条件和电解槽及电解反应的安全稳定，而去牺牲电流效率提高能耗。能量平衡这一电解过程最基本的工艺条件无法独立实时调节，就很难保证电解过程处于优化的状态；难以实现铝电解过程的稳定和节能平衡下的最优。

发明内容

本发明的目的是提供一种铝电解工艺参数优化方法和铝电解槽组，以及一种基于过热度的铝电解工艺参数优化方法和实现过热度控制的铝电解槽组。用于实现铝电解槽稳定的同时进一步降低能耗。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

本发明提供一种铝电解工艺参数优化方法，包括如下步骤：

1)根据预设的最优标准寻找一个或多个运行最优铝电解槽；

2)获取所述运行最优铝电解槽的工艺参数作为优化工艺参数；

3)按照所述优化工艺参数对其他被控电解槽进行控制；

所述最优标准至少包括，电流效率高于电流效率阈值，且槽平均工作电压低于槽平均工作电压阈值；所述优化工艺参数包括以下参数中的一个或者两个以上的组合：电解质温度、电解质分子比、氧化铝浓度和极距。

本发明还提供一种铝电解槽组，包括一组电解槽和电解槽组控制器，所述电解槽组控制器用于采集各个电解槽的参数，以及控制各个电解槽的工艺参数，所述电解槽组控制器执行实现上述用于铝电解槽的工艺参数优化方法的指令。

本发明的技术效果：

铝电解生产过程中，铝电解槽的各个工艺参数(包括电解质分子比、氧化铝浓度和极距)互相耦合，在调节过程中相互影响，控制极为复杂，很难通过工艺参数将电解槽调整到最优状态(槽况稳定、节能且效率高)。本发明的方法通过直接将现有运行良好的电解槽的工艺参数复制到其他运行一般的电解槽上，跳出复杂的工艺参数控制模型和相关计算，实现电解槽控制上的精简。

本发明的方法在应用后，各电解槽过热度控制在8-12℃、氧化铝浓度1.5-2.5％、极距35-40mm；电流效率达到93-95％，最终实现吨铝节电200-300kwh。

作为对铝电解工艺参数优化方法和铝电解槽组的进一步改进，步骤1)中，寻找运行最优铝电解槽的方法为：首先对比各铝电解槽电流效率，找到电流效率最高的一个铝电解槽，然后将该铝电解槽的电流效率与电流效率阈值进行比较，若该铝电解槽的电流效率大于电流效率阈值，则将该铝电解槽的槽平均工作电压与槽平均工作电压阈值进行比较，若该铝电解槽的槽平均工作电压小于槽平均工作电压阈值，则认定该铝电解槽为运行最优铝电解槽；

其中，若找到电流效率最高的两个以上的铝电解槽，将对应两个以上的铝电解槽的电流效率与电流效率阈值进行比较，若对应两个以上的铝电解槽的电流效率大于电流效率阈值，则将对应两个以上的铝电解槽的槽平均工作电压分别与槽平均工作电压阈值进行比较，若仅有一个铝电解槽的槽平均工作电压小于槽平均工作电压阈值，则认定该铝电解槽为运行最优铝电解槽；若有多个铝电解槽的槽平均工作电压小于槽平均工作电压阈值，则认定槽平均工作电压最小的铝电解槽为运行最优铝电解槽。

作为对铝电解工艺参数优化方法和铝电解槽组的进一步改进，步骤1)中，寻找运行最优铝电解槽的方法为：首先对比各铝电解槽槽平均工作电压，找到槽平均工作电压最低的一个铝电解槽，然后将该铝电解槽的槽平均工作电压与槽平均工作电压阈值进行比较，若该铝电解槽的槽平均工作电压小于槽平均工作电压阈值，则将该铝电解槽的电流效率与电流效率阈值进行比较，若该铝电解槽的电流效率大于电流效率阈值，则认定该铝电解槽为运行最优铝电解槽；

其中，若找到槽平均工作电压最低的两个以上的铝电解槽，将对应两个以上的铝电解槽的槽平均工作电压与槽平均工作电压阈值进行比较，若对应两个以上的铝电解槽的槽平均工作电压小于槽平均工作电压阈值，则将对应两个以上的铝电解槽的电流效率分别与电流效率阈值进行比较，若仅有一个铝电解槽的电流效率大于电流效率阈值，则认定该铝电解槽为运行最优铝电解槽；若有多个铝电解槽的电流效率大于电流效率阈值，则认定电流效率最大的铝电解槽为运行最优铝电解槽。

作为对铝电解工艺参数优化方法和铝电解槽组的进一步改进，步骤1)中，寻找运行最优铝电解槽的方法为：首先对比各铝电解槽的电流效率和槽平均工作电压，找到满足所述最优标准的一个或多个铝电解槽；若仅有一个满足最优标准的铝电解槽，则认定该铝电解槽为运行最优铝电解槽；

若有两个以上满足最优标准的铝电解槽，则选择电流效率最高的一个铝电解槽为运行最优铝电解槽；

或者选择槽平均工作电压最低的一个铝电解槽为运行最优铝电解槽；

或者为电流效率和槽平均工作电压分别设置权重，结合权重从两个以上满足最优标准的铝电解槽中选择一个作为运行最优铝电解槽。

按照以上运行最优铝电解槽的寻找标准，在电流效率未能达到设定值时，不再比较槽平均工作电压值，或者在槽平均工作电压未能低于设定值时，不再比较电流效率，直接认定为需要进行工艺参数优化的非最优电解槽，开始进行工艺参数优化控制，提高了控制效率，避免了多余的判断比较。

作为对铝电解工艺参数优化方法和铝电解槽组的进一步改进，电流效率阈值为93～95％；槽平均工作电压阈值为3.8～4.0V。

本发明提供一种基于过热度的铝电解工艺参数优化方法，包括如下步骤：

1)根据预设的最优标准寻找一个或多个运行最优铝电解槽；

2)获取所述运行最优铝电解槽的过热度形成标准过热度区间；

3)采集被控铝电解槽内电解质的过热度测量值；

4)将所述过热度测量值与所述标准过热度区间比较，若所述过热度测量值高于标准过热度区间上限，则控制槽壁换热装置使槽壁换热装置的换热量增加；若所述过热度测量值低于标准过热度区间下限，则控制槽壁换热装置使槽壁换热装置的换热量减少；若所述过热度测量值在标准过热度区间范围内，则不做调整；所述槽壁换热装置为用于为槽壁散热的换热装置；

所述最优标准包括，电流效率高于电流效率阈值，且槽平均工作电压低于槽平均工作电压阈值。

本发明还提供一种实现过热度控制的铝电解槽组，包括电解槽组控制器和用于为槽壁散热的槽壁换热装置，每个电解槽的至少一个侧壁上设置有所述槽壁换热装置，所述电解槽组控制器用于采集各个电解槽的参数，以及控制各个电解槽的槽壁换热装置；所述电解槽组控制器执行实现如上述基于过热度的工艺参数优化方法的指令。

本发明的技术效果：

1)电解铝能耗的50％是通过热的形式散失于环境中，因此热平衡是电解槽电解反应能量平衡中重要的环节，本发明通过热平衡的在线独立控制实现了对能量平衡的独立干预和控制调节。

本发明的方案采集电解槽电解质的热参数(通过温度及初晶点获得过热度)，并针对电解槽的过热度进行独立优化调节，在现有电解槽的能量控制和物料控制即在输入端控制平衡的基础上，通过电解槽的散热或保温的输出端控制，在不干预输入端调节、不破坏现有平衡的基础上对过热度进行独立控制，实现了热平衡的独立调节和过热度这一重要工艺参数的解耦，能够实现电解铝安全稳定和节能的进一步优化。

2)电解槽散失的热量主要是通过槽壁散失的，通过槽壁设置的换热装置，能最大程度上影响槽内电解质的温度，进而控制过热度，因此通过槽壁对电解质温度调整的周期短，最适宜实现电解质温度及过热度的调节。

3)本发明的方法能够实现从电解槽散热侧(即热输出端)反向对电解槽的热平衡进行调节，与输入端的能量及物料平衡的控制互不干预，在实施本发明的方法时，不需要考虑极距的控制和分子比的控制，实现了电解槽过热度与其他工艺参数的“解耦”控制，能够实现电解铝安全稳定和节能的进一步平衡优化。

4)同时，本发明作为控制目标的过热度的获得是从运行良好的电解槽复制而来，其针对性更强，该过热度对电解槽的影响更好。

本发明的方法在应用后，得到电解槽最优过热度区间在8-12℃；电流效率达到93-95％，最终实现吨铝节电200-300kwh。

作为对基于过热度的铝电解工艺参数优化方法和实现过热度控制的铝电解槽组的进一步改进，步骤1)中，寻找运行最优铝电解槽的方法为：首先对比各铝电解槽电流效率，找到电流效率最高的一个铝电解槽，然后将该铝电解槽的电流效率与电流效率阈值进行比较，若该铝电解槽的电流效率大于电流效率阈值，则将该铝电解槽的槽平均工作电压与槽平均工作电压阈值进行比较，若该铝电解槽的槽平均工作电压小于槽平均工作电压阈值，则认定该铝电解槽为运行最优铝电解槽；

其中，若找到电流效率最高的两个以上的铝电解槽，将对应两个以上的铝电解槽的电流效率与电流效率阈值进行比较，若对应两个以上的铝电解槽的电流效率大于电流效率阈值，则将对应两个以上的铝电解槽的槽平均工作电压分别与槽平均工作电压阈值进行比较，若仅有一个铝电解槽的槽平均工作电压小于槽平均工作电压阈值，则认定该铝电解槽为运行最优铝电解槽；若有多个铝电解槽的槽平均工作电压小于槽平均工作电压阈值，则认定槽平均工作电压最小的铝电解槽为运行最优铝电解槽。

作为对基于过热度的铝电解工艺参数优化方法和实现过热度控制的铝电解槽组的进一步改进，步骤1)中，寻找运行最优铝电解槽的方法为：首先对比各铝电解槽槽平均工作电压，找到槽平均工作电压最低的一个铝电解槽，然后将该铝电解槽的槽平均工作电压与槽平均工作电压阈值进行比较，若该铝电解槽的槽平均工作电压小于槽平均工作电压阈值，则将该铝电解槽的电流效率与电流效率阈值进行比较，若该铝电解槽的电流效率大于电流效率阈值，则认定该铝电解槽为运行最优铝电解槽；

其中，若找到槽平均工作电压最低的两个以上的铝电解槽，将对应两个以上的铝电解槽的槽平均工作电压与槽平均工作电压阈值进行比较，若对应两个以上的铝电解槽的槽平均工作电压小于槽平均工作电压阈值，则将对应两个以上的铝电解槽的电流效率分别与电流效率阈值进行比较，若仅有一个铝电解槽的电流效率大于电流效率阈值，则认定该铝电解槽为运行最优铝电解槽；若有多个铝电解槽的电流效率大于电流效率阈值，则认定电流效率最大的铝电解槽为运行最优铝电解槽。

步骤1)中，寻找运行最优铝电解槽的方法为：首先对比各铝电解槽的电流效率和槽平均工作电压，找到满足所述最优标准的一个或多个铝电解槽；若仅有一个满足最优标准的铝电解槽，则认定该铝电解槽为运行最优铝电解槽；

若有两个以上满足最优标准的铝电解槽，则选择电流效率最高的一个铝电解槽为运行最优铝电解槽；

或者选择槽平均工作电压最低的一个铝电解槽为运行最优铝电解槽；

或者为电流效率和槽平均工作电压分别设置权重，结合权重从两个以上满足最优标准的铝电解槽中选择一个作为运行最优铝电解槽。

按照以上运行最优铝电解槽的寻找标准，在电流效率未能达到设定值时，不再比较槽平均工作电压值，或者在槽平均工作电压未能低于设定值时，不再比较电流效率，直接认定为需要进行工艺参数优化的非最优电解槽，开始进行工艺参数优化控制，提高了控制效率，避免了多余的判断比较。

作为对基于过热度的铝电解工艺参数优化方法和实现过热度控制的铝电解槽组的进一步改进，电流效率阈值为93～95％；槽平均工作电压阈值为3.8～4.0V。

作为对基于过热度的铝电解工艺参数优化方法和实现过热度控制的铝电解槽组的进一步改进，通过加大所述槽壁换热装置内换热介质的流量来增加换热量；通过减少所述槽壁换热装置内换热介质的流量来减少换热量。

槽壁换热装置通过散热介质将槽壁温度带走，加快散热介质的流速实现加速槽壁散热，降低槽壁温度进而降低电解质的温度，最终实现降低过热度；减慢散热介质的流速甚至停止散热介质的流动实现槽壁散热的减慢或保温，使槽壁温度升高，进而升高电解质温度及过热度。

加大或减少换热介质在槽壁换热装置内流量，可以通过调节流速实现，具体可以通过泵的变频调速来调节，流速易于精确调节，使散热量易于控制和计算，控制上简单可靠容易实现，且能够精确的量化控制。

作为对基于过热度的铝电解工艺参数优化方法和实现过热度控制的铝电解槽组的进一步改进，所述过热度测量值的采集方法包括，在线取样测量铝电解槽内电解质的实时温度和电解质自然冷却开始结晶时的结晶温度，以该结晶温度为初晶温度；所述实时温度减去初晶温度得到所述过热度测量值。

通过探针和温度传感器，可以实现在现场快速测出槽内的电解质温度及电解质的结晶温度(即初晶点)，相减即可获得过热度，方法快速可靠，能够在现场短时间内获得结果，并且结果能够自动被系统自动获取。

作为对基于过热度的铝电解工艺参数优化方法和实现过热度控制的铝电解槽组的进一步改进，所述过热度测量值的采集方法包括，获得铝电解槽内电解质的样本及电解质的实时温度，通过检测样本获得铝电解槽内电解质的分子比，通过查表获得对应的初晶温度，所述电解质的实时温度减去初晶温度得到过热度测量值。

通过采集样本并利用实验室检验的方式测得成分(分子比)，根据成分获得初晶点，实时温度与初晶点的差即为过热度，化验方法精确可行，也能够实现过热度的准确获取。

附图说明

图1是现有技术铝电解槽结构示意图；

图2是现有技术铝电解工艺与临界稳定控制系统示意图；

图3是本发明的能够实现独立能量平衡调节的方法流程图；

图4是本发明的铝电解槽系统示意图；

图5是本发明的铝电解工艺参数优化方法流程图。

图中包括：阴极1、阳极导电棒2、阳极母线3、打壳下料机构4、集气罩5、阳极碳块6、槽帮结壳7、侧壁内衬8、阴极棒9、槽壳10、防渗隔热材料11、电解质12、铝水13、烟道口14；槽体本身100、槽壁换热装置31、流量调节站34、热输出装置35、管道36。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

实现过热度输出端调节的铝电解槽实施例：

硬件部分：

如图4所示的本发明的铝电解槽系统，包括：槽体本身100和换热系统，槽体本身100的结构与现有技术的铝电解槽槽体相同。

换热系统用于控制电解槽槽壁的散热，还可以进一步实现电解槽余热的二次利用。换热系统包括槽壁换热装置31、烟气换热装置(图中未示出)、流量调节站34、热输出装置35、管道36。所述槽壁换热装置31设置于铝电解槽的槽壁上，或者与铝电解槽一体设置，用于辅助铝电解槽侧壁(槽壁)的散热，能够吸收铝电解槽槽壁的热量并通过换热介质将热量带走转移。铝电解槽顶部设置有烟道(图中未示出)，烟道与铝电解槽的烟道口相连，用于排出铝电解槽内电化学反应产生的高温烟气。烟道32上设置有烟气换热装置，烟气换热装置也可以通过管道36串联进图4所示的换热系统，高温烟气通过烟气换热装置后可以得到冷却，同时将热量传递给烟气换热装置内的换热介质。流量调节站34实现换热系统内部的换热介质流速的调节，最终实现槽壁换热装置31内单位时间换热介质流量的调节，流量调节站34具体可以是由可调速电机带动的泵，调速电机(即泵的转速)由铝电解槽控制系统控制，用于驱动换热介质通过管道36在槽壁换热装置31、烟气换热装置(图中未示出)、热输出装置35之间循环。热输出装置35用于将换热介质冷却，转移换热介质携带的热量，可以将热量进行再次利用。热输出装置35具体可以是换热站，被加热后携带热量换热介质在换热站内给水加热，被加热后的水可以用于供暖或发电。

换热介质采用导热油，也可以采用其他介质，例如冷却液、水或者气体等。本发明对换热介质不做限定。

槽壁换热装置31包括集成有热管的集热板，集热板内通有导热油，热管一端与槽壁接触，另一端插入集热板内部并与导热油充分接触，槽壁换热装置31利用热管将槽壁热量传递到集热板内的导热油，将导热油加热，携带能量的高温导热油流动将槽壁热量带走，从而实现槽壁温度的调节。

作为其他实施例，槽壁换热装置31也可以不采用热管，而直接在槽壁上设置其他类型的换热装置。

导热油在流量调节站34的驱动下，流入热输出装置35。热输出装置35可以为一个换热水站，导热油管可以在换热水站内通过弯曲布置或者连接散热片的方式与水充分接触，换热水站利用水将导热油管内的导热油冷却，水被加热后可以进一步使之沸腾用于发电或供暖等。热输出装置35内用于冷却导热油的介质还可以为气体、冷却液等其他介质，冷却方法可以为对导热油管喷淋、浸泡或利用散热风扇加速空气流动的方式，其目的主要是为了冷却导热油，使冷却后的导热油进入下一冷却循环，导热油的热量是否重复利用或者如何利用，本发明不做限定。

本实施例中，为了有效利用导热油带出的热量，导热油还在冷却后利用高温烟气进行预热，即导热油在进入槽壁换热装置31前先进入烟气换热装置，烟气换热装置设置于烟道上，高温烟气在烟气换热装置内与导热油管充分接触，将烟气携带的热量充分利用，为导热油预热，预热后的导热油再通过槽壁换热装置31，可进一步的提高导热油携带的热量，便于高温导热油在热输出装置35内输出能量以提高余热利用率。作为其他实施例，也可以不在烟道上设置烟气换热装置，不对导热油预热，直接使冷却后的导热油进入槽壁换热装置31，以提高槽壁换热装置31对槽壁的冷却效率。

软件部分：

铝电解槽控制系统采用如图2所示的现行铝电解工艺与临界稳定控制系统的策略对电解槽进行能量平衡和物料平衡的控制，即实现极距控制和分子比控制；同时还包括对换热系统的控制，即根据散热度对槽壁换热装置31、流量调节站34乃至热输出装置35进行控制的方法。具体控制策略在方法实施例中叙述。

需要说明的是，本实施例中，对换热系统的控制与极距控制和分子比控制相同，都属于针对电解槽的控制。也就是说，对换热系统的控制方法形成的软件在电解槽的控制装置(例如电解槽的控制柜)中加载并且运行。

余热回收系统实施例：

余热回收系统包含上述铝电解槽实施例中的换热系统(本实施例中不再赘述)和余热回收控制器，余热回收控制器对换热系统进行控制，执行实现用于铝电解槽的能量平衡调节方法的控制，具体控制策略在方法实施例中叙述。

需要说明的是，本实施例中，对换热系统的控制方法形成的软件在余热回收控制装置(例如作为流量调节站34的泵的电机控制器或余热回收系统控制柜)中加载并且运行。本实施例中，余热回收系统的散热控制与铝电解槽本身现行的铝电解控制策略(如图2的控制方法)互相独立运行，可以互不干预。

过热度输出端调节方法实施例：

如图3所示的能够实现独立能量平衡调节的方法，包括如下步骤：1)控制系统采集电解槽中电解质的过热度；2)将采集的过热度与预设的标准过热度比较。若采集的过热度大于标准过热度，则控制系统控制换热系统加快电解槽槽壁的散热速度，实现电解槽槽壁温度降低，进而使电解槽内电解质温度降低，最终实现降低电解质的过热度，使电解质过热度接近标准过热度；若采集的过热度小于标准过热度，则控制系统控制换热系统减慢电解槽槽壁的散热速度，实现电解槽槽壁温度升高，进而使电解槽内电解质温度升高，最终实现升高电解质的过热度，使电解质过热度接近标准过热度；若采集的过热度等于标准过热度，则控制系统控制换热系统维持当前电解槽槽壁的散热速度，即维持接近标准过热度的当前过热度。

控制系统可以是铝电解槽的控制系统，也可以是余热回收系统独立的控制系统。

电解铝电解质合理的过热度区间为5～15℃，设定的标准过热度为一定的温度范围，在设定时可以是理想的窄小范围(例如6～8℃)、也可以是较宽区间(如6～10℃或8～12℃)，也可以是接近理想过热度的温度范围。本发明中，在一组铝电解槽组中，寻找最优运行的铝电解槽(寻优标准可以为槽平均工作电压、电流效率等)，并基于该最优运行的铝电解槽的过热度形成设定的标准过热度区间(标准过热度区间可以为一定时间内最优运行的铝电解槽的过热度波动区间，也可以为以最优运行的铝电解槽的过热度为中心的设定范围的过热度区间)，用作对该组其他非最优运行的铝电解槽的过热度控制参数。对于其他非最优运行的铝电解槽，当过热度测量值超出该标准过热度时才进行调节，例如设定标准过热度区间为8～10℃，则当过热度低于8℃达到7℃或高于10℃达到11℃才进行调节，直到回到标准过热度区间内的目标值时，停止调节，防止系统难以稳定下来而频繁震荡反复调节。

采集的过热度大于标准过热度区间或者大于标准过热度区间并超过设定值，可以认定为此采集的过热度大于标准过热度；采集的过热度小于标准过热度区间或者小于标准过热度区间并超过设定值，可以认定为此采集的过热度小于标准过热度。理想过热度或理想过热度的范围也可以为技术人员根据经验设定的，或者选择现有运转良好且电流效率高的电解槽的过热度作为其他槽况相近的电解槽的理想过热度。

加快电解槽槽壁的散热速度的方法为，铝电解槽控制系统通过控制加快换热系统中作为流量调节站34的泵的转速，加快换热系统中导热油在槽壁换热装置31中的流速，则加了单位时间槽壁换热装置31从槽壁带走的热量，最终实现了加快电解槽槽壁的散热速度。减慢电解槽槽壁的散热速度的方法与加快电解槽槽壁的散热速度的方法相反，即铝电解槽控制系统降低换热系统中泵34的转速，最终实现减慢电解槽槽壁的散热速度。

作为其他实施例，还可以通过其他方法加快或减慢电解槽槽壁的散热速度。例如，控制进入槽壁换热装置31的导热油的初始温度，在泵34转速不变，导热油流速一定的情况下，通过提高热输出装置35对导热油的冷却速率来降低进入槽壁换热装置31的导热油的初始温度，可以实现加快电解槽槽壁的散热速度；相反通过降低热输出装置35对导热油的冷却速率来提高进入槽壁换热装置31的导热油的初始温度，可以实现减慢电解槽槽壁的散热速度。还可以在保证流速一定的前提下，通过调节阀门的开度控制单位时间进入槽壁换热装置31的导热油的流量，但此方法下若需实现定量的精确控制，则需要冷却系统中导热油流速(即泵的转速)和进入换热系统阀门的开度联合控制，以保证流速一定，控制方法较为复杂。

同时还可以对热输出装置35进行控制，调节热输出装置35对导热油的冷却速率，以适应导热油的流速控制。例如作为流量调节站34的泵的转速加快，即导热油流速加快时，控制增加调节热输出装置35的冷却速率以适应导热油的流速，具体可以为增加导热油管被水浸泡的长度、增加冷却液喷淋量或者加快散热风扇转速等。同时铝电解槽控制系统还可以采集槽壁换热装置31导热油进口及出口的温度，导热油流速等参数，即通过采集相关参数，对导热油流速和进入槽壁换热装置31的导热油的初始温度的精确控制，以实现槽壁散热量的精确计算，及实现精确调节槽壁的散热量。

铝电解槽控制系统采集电解槽中电解质的过热度的方法基于以下原理：当电解质熔体结晶时释放出凝固潜热，因此电解质冷却温度曲线会出现拐点，此拐点温度即为电解质的初晶温度。用电解质工作温度减去初晶温度，即可得到过热度。具体可以为，挖取部分电解槽电解质样本，通过温度探针持续测定电解质样本的温度，根据电解质开始结晶时的温度变化曲线与其他情况的温度变化不同的特点得到电解质开始结晶时的温度，并将该温度作为初晶温度，用电解质样本的初始温度减去初晶温度即得到电解质的过热度，过热度可以通过手动输入或在线实时检测的方式被铝电解槽控制系统获得。电解质过热度的在线测量，可以采用STARprobe^TM过热度测量仪实现。

铝电解槽控制系统采集电解槽中电解质的过热度的方法还可以为，取电解槽电解质样本，采用实验室化验的方法确定样本电解质的分子比，根据查表的方法获得对应电解质的初晶温度，用电解质样本的初始温度减去初晶温度即得到电解质的过热度，过热度可以通过手动输入的方式被铝电解槽控制系统获得。

本发明通过调整槽壁温度，进而调整槽内电解质的温度，最终实现输出端散热对电解质过热度的调节控制；通过流量调节站34控制通过槽壁换热装置31的换热介质的流量来调整槽壁温度，例如可以为基于对泵的转速控制对槽壁散热量的精确控制实现对电解质过热度的调节，具体可以为以电解质过热度为控制目标，以换热系统(包括泵)为执行调节机构的PID闭环控制。

具体例如，在设定周期(t₀＝4h)采集铝电解槽内电解质的过热度测量值(ΔT_测1＝6℃，过热度测量值即为图3中ΔT_b)，控制系统对过热度测量值(ΔT_测1＝6℃)与预设的标准过热度范围(8～10℃)进行比较，得出过热度测量值(ΔT_测1＝6℃)小于预设的标准过热度范围(8～10℃)的下限值(下限值ΔT_b1＝8℃，上限值ΔT_b2＝10℃)，进而计算得到过热度的偏差值ΔT＝ΔT_b1-ΔT_测1＝8-6＝2℃，根据过热度偏差值(ΔT＝2℃)的正负判断需要加速散热还是减速散热，此实施例中过热度偏差值为正则需要减速散热以升高过热度。具体控制调整方法可以为：计算过热度偏差百分比ξ＝(ΔT_b1-ΔT_测1)/ΔT_b1＝2/8≈33.33％，即电解槽需要减少散热量。首先调整减少散热量的10％；调整后，再次进行过热度测量，测量值仍然低于标准过热度下限，再次调整减少散热量的20％；每个调整周期依次递增，直到测量值回归到标准过热度区间内。

本发明的目的是为了通过不改变其他工艺参数的方法调整过热度，从而维持每个不同槽况的电解槽的过热度都在理想的范围内，同时本发明的方法可以与现有技术的铝电解工艺与临界稳定控制方法共存，即铝电解槽控制系统按照图4所示的现行控制方法对铝电解槽的其他工艺参数进行输入端调节，控制好电解槽的能量平衡和物料平衡，同时铝电解槽控制系统通过本发明的方法从输出端对电解槽的热平衡进行调节，实现电解槽过热度的解耦控制，最终能够在维持电解槽铝电解过程的安全稳定的同时尽可能的实现节能。

计算机存储介质实施例：

按照上述方法，编制计算机程序，将计算机程序存储于存储介质中，由(一个或多个)处理器调用并且执行，从而可以实现用于铝电解槽的能量平衡调节方法。根据电解槽实施例和余热利用实施例的说明可知，上述计算机程序可以在电解槽控制装置中运行，或者在余热回收控制器中运行。

上述介质是，存储有计算机程序指令的可编程数据处理设备。例如，可以是集成有存储器的控制器，例如单片机或工控机，和/或是其他独立的存储器、内存储器。上述介质还可以是一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)。

铝电解工艺参数优化方法实施例：

采集一组运行中的铝电解槽的运行参数，寻找电流效率高于设定电流效率值，且槽平均工作电压低于设定槽平均工作电压值的铝电解槽作为运行最优铝电解槽，电流效率越高且槽平均工作电压越低的铝电解槽的节能效果最好。采集运行最优铝电解槽的电解质温度、电解质分子比、氧化铝浓度和极距等工艺参数，最优铝电解槽可以为多个，则采集的最优铝电解槽的工艺参数也可以为多组，多组最优铝电解槽的工艺参数可以通过数学手段例如求均值等方式得出一组最优铝电解槽的工艺参数，对其他非最优铝电解槽按照该组最优铝电解槽的工艺参数进行控制。

具体可以如图5所示，步骤如下：

1)在各个电解槽预设的工艺技术条件和过热度下进行能耗解析；

2)采集各电解槽的电流效率，找出系列电解槽最优的电流效率(最高的电流效率为最优)；将当前最优目标值的工艺参数作为控制参数对其他非最优电流效率的电解槽进行控制；

3)若系列最优电流效率大于预设电流效率，则采集系列最优电流效率对应电解槽的槽平均工作电压；若系列最优电流效率小于预设电流效率，则将当前最优目标值的工艺参数作为控制参数对系列最优电流效率对应的电解槽进行控制；

4)若采集的系列最优电流效率对应的电解槽的槽平均工作电压值小于预设槽平均工作电压值，则获取该电解槽的工艺参数(即为选择该电解槽为运行最优铝电解槽)，并根据该电解槽的工艺参数调整现有作为最优目标值的工艺参数，或者直接将该电解槽的工艺参数作为最优目标值的工艺参数；若采集的系列最优电流效率对应的电解槽的槽平均工作电压值大于预设槽平均工作电压值，则将当前最优目标值的工艺参数作为控制参数对该电解槽进行控制。

若步骤2)中，最优系列电流效率的电解槽有两个以上(两个以上的电解槽的电流效率相同且都为最高)；且步骤3)中，两个以上的电解槽的最优系列电流效率大于预设电流效率(最优系列电流效率小于预设电流效率的话，这两个以上的电解槽皆非运行最优电解槽)；则采集者两个以上的电解槽的槽平均工作电压值，若只有一个电解槽的槽平均工作电压值低于预设槽平均工作电压值，则该电解槽为运行最优铝电解槽；若两个以上电解槽的槽平均工作电压值低于预设槽平均工作电压值，则槽平均工作电压值最低的一个电解槽为运行最优铝电解槽。

同样的，以上具体步骤优先判断比较找电流效率最高的电解槽，再比较槽平均工作电压值；作为其他实施例，还可以优先判断比较找槽平均工作电压值最低的电解槽，再比较电流效率。

作为其他实施例，还可以如下步骤：

1)采集各电解槽的电流效率和槽平均工作电压值；

2)找出电流效率大于预设电流效率、槽平均工作电压值低于预设槽平均工作电压值的电解槽；

3)若仅找出一个满足条件的电解槽，则选择该电解槽作为运行最优电解槽(获取该电解槽的工艺参数，并根据该电解槽的工艺参数调整现有作为最优目标值的工艺参数)；同时将当前最优目标值的工艺参数作为控制参数对其他电解槽进行控制。若找出多个满足条件的电解槽，则选择电流效率最高的一个电解槽为运行最优电解槽；或者选择槽平均工作电压最低的一个电解槽为运行最优电解槽；或者为电流效率和槽平均工作电压分别设置权重，结合权重从两个以上满足最优标准的电解槽中选择一个作为运行最优电解槽。同时将当前最优目标值的工艺参数作为控制参数对其他电解槽进行控制。

具体根据权重寻找运行最优电解槽的方法可以为，将对应的满足步骤2)中条件的电解槽的电流效率I％的权重设为α，槽平均工作电压U的权重设为β；按照下式计算该电解槽的评价参数θ：

其中，U′为预设槽平均工作电压值，ΔU为该电解槽的槽平均工作电压U与预设槽平均工作电压值U′的差，即ΔU＝U′-U。

最终电解槽评价参数θ最大的满足步骤2)中条件的电解槽为运行最优电解槽。

铝电解槽组实施例：

包括一组铝电解槽和电解槽组控制器，电解槽组控制器可以采集各个电解槽的运行参数，以及控制各个电解槽的工艺参数，电解槽组控制器执行指令实现用于铝电解槽的工艺参数优化方法，用于铝电解槽的工艺参数优化方法已在用于铝电解槽的工艺参数优化方法实施例中介绍清楚，此处不再赘述。

基于过热度的铝电解工艺参数优化方法实施例：

按照铝电解工艺参数优化方法实施例中的方法寻找运行最优铝电解槽。采集运行最优铝电解槽的过热度作为理想过热度，然后按照过热度输出端调节方法实施例中的方法对其他非最优铝电解槽进行过热度的输出端调节。过热度的输出端调节方法已在过热度输出端调节方法实施例中介绍的足够清楚，此处不再赘述。

实现过热度控制的铝电解槽组实施例：

包括电解槽组控制器和用于为槽壁散热的槽壁换热装置，每个电解槽的侧壁上设置有所述槽壁换热装置，电解槽组控制器用于采集各个电解槽的参数，以及控制各个电解槽的槽壁换热装置。每个电解槽的槽壁换热装置及对应的换热系统与实现过热度输出端调节的铝电解槽实施例中的槽壁换热装置及换热系统相同，此处不再赘述。电解槽组控制器执行指令实现基于过热度的工艺参数优化方法，基于过热度的工艺参数优化方法已在基于过热度的工艺参数优化方法实施例中介绍清楚，此处不再赘述。

具体的，作为一种实施方式，电解槽组控制器包括两个控制器，一个为可以实现采集电解槽组中各电解槽运行参数的总控制器，另一个为可以实现对各个电解槽的槽壁换热装置分别控制的换热系统控制器。总控制器按照用于铝电解槽的工艺参数优化方法实施例中的方法寻找运行最优铝电解槽，并采集运行最优铝电解槽的过热度作为理想过热度，然后将理想过热度发送给换热系统控制器，换热系统控制器基于该理想过热度对其他非最优铝电解槽的换热系统进行控制，实现过热度的输出端调节。

Claims (8)

1.一种基于过热度的铝电解工艺参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据预设的最优标准寻找一个或多个运行最优铝电解槽；

2)获取所述运行最优铝电解槽的过热度形成标准过热度区间；

3)采集被控铝电解槽内电解质的过热度测量值；

4)将所述过热度测量值与所述标准过热度区间比较，若所述过热度测量值高于标准过热度区间上限，则控制槽壁换热装置使槽壁换热量增加；若所述过热度测量值低于标准过热度区间下限，则控制槽壁换热装置使槽壁换热量减少；若所述过热度测量值在标准过热度区间范围内，则不做调整；所述槽壁换热装置为调节槽壁散热量的换热装置；

所述最优标准包括，电流效率高于电流效率阈值，且槽平均工作电压低于槽平均工作电压阈值；

步骤1)中，寻找运行最优铝电解槽的方法为：首先对比各铝电解槽电流效率，找到电流效率最高的一个铝电解槽，然后将该铝电解槽的电流效率与电流效率阈值进行比较，若该铝电解槽的电流效率大于电流效率阈值，则将该铝电解槽的槽平均工作电压与槽平均工作电压阈值进行比较，若该铝电解槽的槽平均工作电压小于槽平均工作电压阈值，则认定该铝电解槽为运行最优铝电解槽；

其中，若找到电流效率最高的两个以上的铝电解槽，将对应两个以上的铝电解槽的电流效率与电流效率阈值进行比较，若对应两个以上的铝电解槽的电流效率大于电流效率阈值，则将对应两个以上的铝电解槽的槽平均工作电压分别与槽平均工作电压阈值进行比较，若仅有一个铝电解槽的槽平均工作电压小于槽平均工作电压阈值，则认定该铝电解槽为运行最优铝电解槽；若有多个铝电解槽的槽平均工作电压小于槽平均工作电压阈值，则认定槽平均工作电压最小的铝电解槽为运行最优铝电解槽。

2.一种基于过热度的铝电解工艺参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据预设的最优标准寻找一个或多个运行最优铝电解槽；

2)获取所述运行最优铝电解槽的过热度形成标准过热度区间；

3)采集被控铝电解槽内电解质的过热度测量值；

4)将所述过热度测量值与所述标准过热度区间比较，若所述过热度测量值高于标准过热度区间上限，则控制槽壁换热装置使槽壁换热量增加；若所述过热度测量值低于标准过热度区间下限，则控制槽壁换热装置使槽壁换热量减少；若所述过热度测量值在标准过热度区间范围内，则不做调整；所述槽壁换热装置为调节槽壁散热量的换热装置；

所述最优标准包括，电流效率高于电流效率阈值，且槽平均工作电压低于槽平均工作电压阈值；

步骤1)中，寻找运行最优铝电解槽的方法为：首先对比各铝电解槽槽平均工作电压，找到槽平均工作电压最低的一个铝电解槽，然后将该铝电解槽的槽平均工作电压与槽平均工作电压阈值进行比较，若该铝电解槽的槽平均工作电压小于槽平均工作电压阈值，则将该铝电解槽的电流效率与电流效率阈值进行比较，若该铝电解槽的电流效率大于电流效率阈值，则认定该铝电解槽为运行最优铝电解槽；

其中，若找到槽平均工作电压最低的两个以上的铝电解槽，将对应两个以上的铝电解槽的槽平均工作电压与槽平均工作电压阈值进行比较，若对应两个以上的铝电解槽的槽平均工作电压小于槽平均工作电压阈值，则将对应两个以上的铝电解槽的电流效率分别与电流效率阈值进行比较，若仅有一个铝电解槽的电流效率大于电流效率阈值，则认定该铝电解槽为运行最优铝电解槽；若有多个铝电解槽的电流效率大于电流效率阈值，则认定电流效率最大的铝电解槽为运行最优铝电解槽。

3.一种基于过热度的铝电解工艺参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据预设的最优标准寻找一个或多个运行最优铝电解槽；

2)获取所述运行最优铝电解槽的过热度形成标准过热度区间；

3)采集被控铝电解槽内电解质的过热度测量值；

4)将所述过热度测量值与所述标准过热度区间比较，若所述过热度测量值高于标准过热度区间上限，则控制槽壁换热装置使槽壁换热量增加；若所述过热度测量值低于标准过热度区间下限，则控制槽壁换热装置使槽壁换热量减少；若所述过热度测量值在标准过热度区间范围内，则不做调整；所述槽壁换热装置为调节槽壁散热量的换热装置；

所述最优标准包括，电流效率高于电流效率阈值，且槽平均工作电压低于槽平均工作电压阈值；

步骤1)中，寻找运行最优铝电解槽的方法为：首先对比各铝电解槽的电流效率和槽平均工作电压，找到满足所述最优标准的一个或多个铝电解槽；若仅有一个满足最优标准的铝电解槽，则认定该铝电解槽为运行最优铝电解槽；

若有两个以上满足最优标准的铝电解槽，则选择电流效率最高的一个铝电解槽为运行最优铝电解槽；

或者选择槽平均工作电压最低的一个铝电解槽为运行最优铝电解槽；

或者为电流效率和槽平均工作电压分别设置权重，结合权重从两个以上满足最优标准的铝电解槽中选择一个作为运行最优铝电解槽。

4.根据权利要求1～3任一项所述的基于过热度的铝电解工艺参数优化方法，其特征在于，电流效率阈值为93～95％；槽平均工作电压阈值为3.8～4.0V。

5.根据权利要求1～3任一项所述的基于过热度的铝电解工艺参数优化方法，其特征在于，通过加大所述槽壁换热装置内换热介质的流量来增加换热量；通过减少所述槽壁换热装置内换热介质的流量来减少换热量。

6.根据权利要求1～3任一项所述的基于过热度的铝电解工艺参数优化方法，其特征在于，所述过热度测量值的采集方法包括，在线测量获得铝电解槽内电解质的实时温度和电解质自然冷却开始结晶时的结晶温度，以该结晶温度为初晶温度；所述实时温度减去初晶温度得到所述过热度测量值。

7.根据权利要求1～3任一项所述的基于过热度的铝电解工艺参数优化方法，其特征在于，所述过热度测量值的采集方法包括，获得铝电解槽内电解质的样本及电解质的实时温度，通过检测样本获得铝电解槽内电解质的分子比，通过查表获得对应的初晶温度，所述电解质的实时温度减去初晶温度得到过热度测量值。

8.一种实现过热度控制的铝电解槽组，其特征在于，包括电解槽组控制器和调节槽壁散热量的槽壁换热装置，每个电解槽的至少一个侧壁上设置有所述槽壁换热装置，所述电解槽组控制器用于采集各个电解槽的参数，以及控制各个电解槽的槽壁换热装置；所述电解槽组控制器执行实现如权利要求1～7任一项所述基于过热度的铝电解工艺参数优化方法的指令。

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