CN113913873A - 一种可充当柔性负载的铝电解槽及其热平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电解铝设备技术领域，具体涉及一种可充当柔性负载的铝电解槽及其热平衡控制方法。本发明提供了一种具备自适应调节热平衡能力的可充当柔性负载的新型铝电解槽，当电解槽在高阳极电流密度或低阳极电流密度下工作时，可通过对于中间动力单元功率的调整，满足在相应电流密度下工作时的电解质过热度需求，维持热平衡；当电解槽电流密度在一定范围内(比如0.6‑1.2A/cm²)波动时，也可快速调整热平衡，保证电解槽稳定运行。本发明的铝电解槽能够充当智能电网的柔性负载，大规模消纳风光电可再生能源电力。

Description

一种可充当柔性负载的铝电解槽及其热平衡控制方法

技术领域

本发明属于电解铝设备技术领域，具体涉及一种可充当柔性负载的铝电解槽及其热平衡控制方法。

背景技术

金属铝是通过电解法生产的。高温熔融电解质承载在由石墨质材料构成的反应器中，该反应器的外围是钢制槽壳，槽壳内衬耐火材料。在运行期间，耐火材料侧壁与液态熔体接触的界面上必须要有一层保护性的固态电解质硬壳(称为电解槽炉帮)，起到电绝缘和保护侧壁材料不被腐蚀的目的。

近半个世纪以来，降低铝工业温室气体排放量逐渐成为主要产铝国家的目标之一。我国煤电炼铝产能占总产能的88.1％，其余为水电、风电、光电等可再生能源生产。煤电炼铝流程的二氧化碳排放量为15-18kg-CO₂/kg-Al，其中煤电生产排放的二氧化碳为10-12kg-CO₂/kg-Al，占整个炼铝流程CO₂排放量的66％以上。如果利用可再生能源炼铝，铝工业的二氧化碳排放量可降低到4.3t/t-Al水平以下。

国家未来的智能电网建设需要多方面的技术进步，电力消费具备大范围可调性的工业用户是智能电网建设的重要环节。这种可调性要求工业用户在电网供电过剩的情况下大幅度提高用电消费量；而在电网供电不足时，大幅度降低用电消费量。我们将具备上述用电特性的工业用户称为柔性负载。具备柔性负载特性的工业用户将能消纳诸如风电、光电等可再生能源，或者在枯水期降低电力的消费，在丰水期增加电力的消费，通过这种方式提高可再生能源电力在电网中的比例。

现有铝电解槽设计原则是建立在固定的阳极电流密度基础上的。阳极电流密度与电解槽结构参数、物料平衡和能量平衡紧密相关。电解槽输入功率-电解槽热平衡-电解槽物料平衡-电解质化学-电极过程-氧化铝溶解动力学之间存在复杂的相互作用关系。水电、风光电这些可再生能源具有不稳定性的特征，如果采用大量火电来平衡可再生能源电力的不稳定性，则会限制可再生能源在电力消费结构中的比例。要在电解槽的电力消费结构中提高风光电力的消费比例，使铝电解槽转变为柔性负载，必须解决这种复杂的耦合关系，使电解槽在变电流密度条件下也能够稳定运行。

CN111690952A公开了一种铝电解槽柔性生产装置，通过在电解槽的进电侧、出电侧和散热孔位置安装冷风管来调节电解槽的热平衡，实现电解槽在可变电流密度下生产的目的。这种技术的调节能力差，热交换效率低，并产生大量的噪音，工作环境恶化。

现代铝电解槽普遍采用400kA以上的电流强度，电解槽各个部位的热流量密度差异显著，通过控制侧部热流量达到控制电解槽侧壁上保护性固态电解质厚度的技术方案应考虑局域热流密度的差异性，并能根据热流量密度作自适应调整。此外，电解槽侧壁部位的外部空间狭小，不适用于安装体积庞大的换热系统。电解槽在运行过程中，钢壳会发生一定程度的变形，外挂式热交换器在使用过程中会出现接触不良，导致热交换效率变低。热交换器的动力系统需要电力驱动，现有公开的技术方案中都采用外部供电的方式，增加了铝的生产成本。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种具备自适应调节热平衡能力的可充当柔性负载的新型铝电解槽，当电解槽在高阳极电流密度或低阳极电流密度下工作时，可通过对于中间动力单元功率的调整，满足在相应电流密度下工作时的电解质过热度需求，维持热平衡；当电解槽电流密度在一定范围内(比如0.6-1.2A/cm²)波动时，也可快速调整热平衡，保证电解槽稳定运行。本发明的铝电解槽能够充当智能电网的柔性负载，大规模消纳风光电可再生能源电力。

本发明可通过以下技术方案具体实现：

本发明的铝电解槽阴极导电棒上方的侧壁槽壳为双层，双层之间被隔板分隔成多个腔室。每个腔室的水平截面形状为矩形或正方形。每个腔室底部设置进风口，进风口的截面尺寸可以与腔室的水平截面尺寸相同，也可以通过喇叭口等形式设置成大于主体截面尺寸。每个腔室上端设置导流管用于将进入腔室的气流导出，导出的气流将电解槽侧面传递出的热量带走。每个腔室内部均设置热交换器单元，用于散热。

将铝电解槽侧壁槽壳分为多个散热区，每个散热区可以设置成对应一个散热孔。每个散热区包括一个或多个腔室，且每个散热区设置一个中间动力单元，这个散热区所有腔室的导流管均与该中间动力单元连通，如果散热区包括多个腔室，可以将各个腔室的导流管汇聚到一个导流汇聚管上，该导流汇聚管的出口连通至散热区的中间动力单元。每个中间动力单元的功率参数能够独立调控。中间动力单元的电力可以通过外部动力电源供电，也可以利用侧部余热发电得到的电力供电，比如通过热电池散热型热交换器单元产生的电力供电。

电解槽四周设置总导流管，每个中间动力单元都和相应的总导流管进行连通，总导流管将每个中间动力单元串联起来。

热交换器单元有多种类型，分为空气散热型、热电池散热型、热管散热型。每个散热区的热交换器单元可采用同一种类型的热交换器单元，也可采用不同类型的热交换器单元进行组合。优选的，热交换器单元通过竖直方向的基板和水平方向的水平板固定在各个腔室中，其中基板与双层侧壁槽壳的内层接触，水平板固定在双层侧壁槽壳的水平槽沿板上。

空气散热型热交换器单元是在基板上设置散热片，散热片可以是垂直的金属鳍片，也可以是倾斜带孔的金属片，也可以是波浪形垂直走向的带孔金属片。从腔室进风口进入的气流将电解槽侧面传递至散热片上的热量带走，从导流管排出，气流的大小(即散热效率)可由中间动力单元进行调整，气流经中间动力单元进入总导流管。

所述热电池散热型热交换器单元与空气散热型热交换器单元类似，也是在基板上设置散热片，区别在于基板为多层的三明治型结构，从外到内依次为基板外壳、导流层和热电模块层，热电模块采用N型/P型热电半导体材料，例如Bi₂Te₃、PbTe合金、CoSb₃基方钴矿热电材料、SiGe合金或者Half-Heusler热电材料。热电模块的高温端朝向电解槽钢制槽壳，热电模块低温端朝向散热片，通过温差产生电能，产生的电能经导流层导出，可用于给测温单元或/和中间动力单元供电。

所述热管散热型热交换器单元，是在基板上固定热管。热管的形状可采用水平蛇形、垂直蛇形或者倾斜蛇形等结构模式，目的是增加热管的导热面积，提高热管的取热功率。热管中的导热介质可以是水、气体、导热油和熔盐。设有热管散热型热交换器单元的腔室通过热管中流过的液流和腔室中流过的气流两种方式一起散热。

热交换器单元的基板材质和散热片材质可以采用铝、铜、铁等导热性好的金属材料或合金。

中间动力单元的种类和总导流管的种类可由各散热区使用的热交换器单元种类而定。中间动力单元可以为单独的轴流风机，或者轴流风机与液流循环泵的组合；总导流管分为气流总导流管和液流总导流管。

如果所有的散热区均使用空气散热型、热电池散热型两种类型的热交换器单元，不包含热管散热型热交换器单元，则所有的散热区的中间动力单元均为单独的轴流风机，总导流管只设置气流总导流管，所有轴流风机的出气口通过气流总导流管串联。

如果有散热区使用了热管散热型热交换器单元，则相应的中间动力单元使用轴流风机与液流循环泵的组合，否则中间动力单元仅为单独的轴流风机。总导流管则需要设置气流总导流管和液流总导流管两种，气流总导流管将所有轴流风机的出气口进行串联，液流总导流管将所有液流循环泵进行串联。

所述热管散热型热交换器单元的热管可以是进口连通液流总导流管，热管出口连通热管散热型热交换器单元所在散热区的中间动力单元的液流循环泵，这种情况下液流以“液流总导流管-热管-液流循环泵-液流总导流管”的方式循环；或者是以相反方式连接，即热管出口连通液流总导流管，热管进口连通热管散热型热交换器单元所在散热区的中间动力单元的液流循环泵，这种情况下液流以“液流总导流管-液流循环泵-热管-液流总导流管”的方式循环。在上述两种不同连接方式下，液流循环泵与液流总导流管连通的部位可能是单个循环中的液流入口或液流出口。

每种类型的总导流管可以在电解槽的四周分布两个，每个导流管负责将电解槽一个大面和一个小面的所有中间动力单元串联起来。总导流管可以固定在两台电解槽的中间区域，或者固定在每个电解槽的槽底区域，总导流管从电解车间引出，导出的带有热量的气流可以排空，也可以进行余热利用。

每个散热区分别设置至少一个测温单元，所述测温单元包括热电偶、数据采集模块和数据发射模块，测温单元封装在散热区腔室内的热交换器单元中，数据采集模块和数据发射模块的电力由电池供给，电池可通过上文所述的热电池散热型热交换器单元中的热电模块供电。当一个散热区包含多个腔室时，该散热区的测温单元可封装在散热区中间部位腔室的热交换器单元内，并且测温单元所在的腔室的垂直投影最好与阴极导电棒错开，以防止阴极导电棒处产生的热量对其读数造成干扰；当一个散热区只包含一个腔室时，该散热区的测温单元本身的垂直投影与阴极导电棒错开。测温单元可以把电解槽侧部温度的传感器信号传送到铝厂的控制中心，用于铝厂分析和监控电解槽侧部的炉帮形状、电解槽大面部位的炉帮厚度、电解槽小面端的伸腿长度，并进行破损预测和对策制定。

可以通过调整每个散热区中间动力单元的功率和电解槽设置电压，使由测温单元测出的电解槽各散热区温度稳定在设定温度范围内，进而保证电解槽的总体和局域热平衡。设定的温度范围优选为250～400℃。当电解槽在高电流密度条件下工作时，电解质电阻产生的欧姆热导致电解质过热度增加，固态电解质结壳熔化，此时可整体增大电解槽上的各散热区中间动力单元的功率，即增大热交换器单元的取热功率，以增大电解槽侧部散热速率，降低各散热区温度以降低电解质的过热度，保持电解槽炉帮形状的稳定性。当电解槽在低电流密度条件下工作时，电解质电阻产生的欧姆热减少，电解质过热度下降，此时可整体降低电解槽上的各散热区中间动力单元功率，即降低热交换器单元的取热功率，以降低电解槽侧部散热速率，提高各散热区温度，维持电解质的过热度稳定，保持电解槽炉帮的稳定性。

在电解槽运行过程中还可能出现电解槽局部区域热流密度不同，可通过分析每一个散热区测温单元传出的侧部温度传感器信号，构建电解槽热流分布图，通过调整局域散热区中间动力单元的功率，对局域热平衡进行微调。

本发明中的电解槽，各个热交换器单元、中间动力单元和总导流管构成了分布式的热交换系统，所述的热交换系统具有局部独立调整热平衡的能力，并且热交换系统在使用过程中可以根据不同的需求具备更换热交换器单元。电解槽的双层侧壁槽壳在使用过程中具有更强的抵抗变形的能力。中间动力单元和测温单元可以利用侧部余热供电。各个测温单元可以对侧壁槽壳上的侧壁温度分布进行实时测量，并为本发明中的分布式热交换系统的整体和局部热平衡控制提供控制参数。

附图说明

图1安装有热交换器单元的电解槽横截面图。

图2单个散热区的结构示意图(图中未示出热交换器单元)，其中a为主视图，b为俯视图，c为侧视图。

图3安装有热交换系统的全槽俯视图。

图4带垂直金属鳍片散热片的空气散热型热交换器单元结构示意图。其中a为主视图，b为底视图。

图5带倾斜带孔金属散热片的空气散热型热交换器单元结构示意图。其中a为主视图，b为底视图。

图6带波浪形垂直走向的带孔金属片散热片的空气散热型热交换器单元结构示意图。其中a为主视图，b为底视图。

图7热电池型热交换器单元结构示意图。

图8热管型热交换器单元结构示意图。其中a为主视图，b为底视图。

图9.测温单元结构示意图。

附图标号说明：1-耐火材料侧壁，2-固态电解质结壳，3-侧壁槽壳，4-隔板，5-腔室，6-热交换器单元，7-水平槽沿板，8-进风口，9-导流管，10-导流汇聚管，11-中间动力单元，12-中间动力单元出口，13-总导流管，14-基板，15-热电偶安装孔，16-散热片，17-水平板，18-基板外壳，19-导流层，20-热电模块，21-热管，22-热管进口，23-热管出口，24-热电偶，25-数据采集模块和数据发射模块，26-阴极导电棒，27-阳极，28-铝液，29-电解质，30-阴极块，31-摇篮架，32-散热片上的散热孔。

具体实施方式

如图1所示，铝电解槽在电解过程中，耐火材料侧壁1上需要有一层固态电解质结壳2，当电解槽的电流密度发生变化时，电解槽的热平衡被打破。如果电流密度下降，电解槽的产热量降低，液态电解质中高熔点的物质会在固态电解质结壳上凝结，电解质结壳厚度会增加。由于结壳增加后，侧部散热区域的热流量会下降，这会抑制电解槽产热量降低导致的温度下降，并最终达到一个新平衡。反之，电解槽的电流密度增加，电解槽的产热量增加，结壳的厚度会下降，侧部散热区域的热流量会增加，这会抑制电解槽产热量上升导致的的温度上升，并最终达到一个新平衡。因此，电解槽本身具有一定自我调节热平衡的能力。然而，如果电流密度波动幅度较大，突破了电解槽的自我调节范围，必将给电解槽的生产带来巨大的不良影响。

为了增强电解槽的热平衡调节窗口，将电解槽的阴极导电棒26上方的钢制侧壁槽壳3设计为双层，见图1和图2所示。双层之间由隔板4分割成多个腔室5。腔室中可安装热交换器单元6，热交换器单元包括基板和水平板，热交换器单元的基板14紧贴双层侧壁槽壳3的内层，水平板17固定在钢制槽壳的水平槽沿板7上，如图1所示。每个腔室5都有一个进风口8和导流管9，可以通过设置如图2中的喇叭口的形式，使进风口的截面尺寸大于腔室本身的截面尺寸。电解槽的每块阴极对应的槽壳散热孔设计为一个散热区，散热区至少包括一个双层钢制槽壳内的腔室5。存在多个腔室的散热区如图2所示，每个腔室5的导流管9汇聚到一个导流汇聚管10上，导流汇聚管10连通到一个中间动力单元11上，该中间动力单元内部由轴流风机或者轴流风机+液流循环泵组成，功率可以单独调节，以调节单个散热区的热流量。电解槽可以根据槽壳散热孔的数量安排多个散热区，每个散热区的中间动力单元出口12连通到电解槽的总导流管13上，见图3所示。

热交换器单元可采用空气散热型，见图4、5、6所示；可以采用热电池型，见图7所示；可采用热管型，见图8所示。空气散热型热交换器的基板14上设置有散热片16，散热片有如图4、5、6所示的垂直的金属鳍片、倾斜带孔的金属散热片、波浪形垂直走向的带孔金属片等多个种类。热电池型热交换器单元的基板由多层组成，最外层为基板外壳18，从外到内分别为基板外壳18、导流层19和热电模块层20，基板上仍然和空气散热型热交换器单元一样设置散热片16。热管型热交换器单元由基板14和热管21组成，如果某个散热区采用了热管型热交换器单元，则该散热区的中间动力单元11需要同时包括轴流风机和液流循环泵，同时电解槽需要设置气流和液流两种总导流管13，热管进口22和热管出口23连通到中间动力单元11的液流循环泵上或者液流总导流管上，液流循环泵将液流总导流管中的液体吸入热管，吸收热管型热交换器单元所在腔室的热量后再排入液流总导流管。每个散热区中至少有一个热交换器单元上设有热电偶安装孔15，用于固定测温单元的热电偶24。

在每个散热区安装至少一个测温单元，测温单元中，热电偶24的温度信号由测温单元的数据采集模块和数据发射模块25进行采集，再通过无线或有线方式传送给电解槽槽控机，并进而传送给信息控制中心。测温单元结构示意图见图9所示。测温单元的热电偶24固定在热交换器单元的基板14的热电偶安装孔15中。

当电解槽运行在高阳极电流密度条件下，例如1.0A/cm²，增加中间动力单元的轴流风机或液流循环泵的功率，例如使管道中气体流速达到10-50m/s，增加电解槽侧壁向外的热流量。

当电解槽运行在低阳极电流密度条件下，例如0.6A/cm²，降低动力单元的轴流风机或液流循环泵的功率，例如使管道中气体流速达到3m/s，甚至降为0m/s，降低电解槽侧壁向外的热流量。

具体来说，利用每个散热孔区域设置的测温单元监测温度，并通过调节中间动力单元的功率将各个散热区的温度控制在一定范围内，例如250-400℃。如果某个散热区温度超过400℃，升高控制该散热区中间动力单元的引风或引流功率，使侧壁温度降低到250-400℃范围内。如果某个散热孔区的温度低于250℃，则降低控制该散热区中间动力单元的引风或引流功率，降低电解槽侧壁向外的热流量，使侧壁温度降回升到250-400℃范围内。每个中间动力单元的功率参数能够独立调控，可以根据电流密度的整体变化，整体对各个散热区的中间动力单元功率进行调节，也可以根据各散热区的局部温度变化情况进行局部区域的调节。

如果出现特殊情况，例如电流密度过低，通过调整电解槽各散热区的中间动力单元无法保证电解槽温度稳定，电解槽温度持续下降，则可以通过增加电解槽设置电压来增加电解槽热输入量，并采用上述相同的方法，将各个中间动力单元的功率进行调整，以与电压调整进行匹配，最终实现电解槽的稳定生产状态。

Claims (10)

1.一种可充当柔性负载的铝电解槽，其特征在于，所述铝电解槽阴极导电棒上方的侧壁槽壳为双层，双层之间被隔板分隔成多个腔室；

将铝电解槽侧壁槽壳分为多个散热区，每个散热区包括一个或多个腔室；

所述腔室底部设置进风口，上端设置导流管，每个腔室内部设置热交换器单元；每一个散热区设置一个中间动力单元，每个散热区各腔室的导流管连通该散热区的中间动力单元；

所述中间动力单元为轴流风机，或同时包括轴流风机和液流循环泵；每个中间动力单元的功率参数独立调控；

电解槽四周设置总导流管，每个中间动力单元均和总导流管连通，总导流管将每个中间动力单元串联起来；

每个散热区分别设置测温单元，所述测温单元包括热电偶、数据采集模块和数据发射模块。

2.根据权利要求1所述的可充当柔性负载的铝电解槽，其特征在于，所述腔室水平截面的形状为矩形或正方形，腔室进风口的截面尺寸大于等于腔室的水平截面尺寸。

3.根据权利要求1所述的可充当柔性负载的铝电解槽，其特征在于，所述热交换器单元包括基板和水平板，基板与双层槽壳的内层接触，水平板固定在双层槽壳的水平槽沿板上。

4.根据权利要求3所述的可充当柔性负载的铝电解槽，其特征在于，所述热交换器单元为空气散热型、热电池散热型或热管散热型；每一个散热区可以设置一种或多种热交换器单元；

所述空气散热型热交换器单元在基板上设置散热片；

所述热电池散热型热交换器单元的基板为多层的三明治型结构，从外到内依次为基板外壳、导流层和热电模块层，基板上设置散热片；

所述热管散热型热交换器单元在基板上设置热管；

如果存在设置了热管散热型热交换器单元的散热区，则相应散热区的中间动力单元同时包括轴流风机和液流循环泵，并且电解槽的总导流管设置气流总导流管和液流总导流管两种；所述热管散热型热交换器单元的热管进口连通总导流管，热管出口连通热管散热型热交换器单元所在散热区的中间动力单元的液流循环泵，或者热管出口连通总导流管，热管进口连通热管散热型热交换器单元所在散热区的中间动力单元的液流循环泵；

如果一个散热区不设置热管散热型热交换器单元，则该散热区的中间动力单元为轴流风机；

如果所有散热区均不设置热管散热型热交换器单元，则电解槽只设置气流总导流管一种总导流管。

5.根据权利要求1所述的可充当柔性负载的铝电解槽，其特征在于，所述测温单元封装在散热区腔室内的热交换器单元中；

当一个散热区包含多个腔室时，该散热区的测温单元所在的腔室的垂直投影与阴极导电棒错开；当一个散热区只包含一个腔室时，该散热区的测温单元本身的垂直投影与阴极导电棒错开。

6.根据权利要求4所述的可充当柔性负载的铝电解槽，其特征在于，所述铝电解槽的热交换器单元中包含热电池散热型热交换器单元，所述热电池散热型热交换器单元的热电池为中间动力单元或/和测温单元供电。

7.根据权利要求1所述的可充当柔性负载的铝电解槽，其特征在于，每个总导流管将电解槽一个大面和一个小面的所有中间动力单元串联起来；总导流管固定在两台电解槽的中间区域，或者固定在每个电解槽的槽底区域。

8.根据权利要求4所述的可充当柔性负载的铝电解槽，其特征在于，所述散热片为垂直的金属鳍片、倾斜带孔的金属片、波浪形垂直走向的带孔金属片中的一种或几种；所述热电模块采用N型/P型热电半导体材料。

9.权利要求1至8中任一项所述的可充当柔性负载的铝电解槽进行热平衡控制的方法，其特征在于：

通过调整各散热区中间动力单元的功率和电解槽设置电压，使由测温单元测出的电解槽各散热区温度稳定在设定范围内。

10.根据权利要求9所述的可充当柔性负载的铝电解槽进行热平衡控制的方法，其特征在于：所述温度设定范围为250～400℃。

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