电解生产铝的系统和方法技术方案

在一些实施方案中，示例性电解池包括：设置在电解池内的阴极结构，其中所述电解池被配置用于在所述阴极结构的表面上产生金属，其中所述阴极结构被配置成沿着所述电解池的底板配合，其中所述阴极结构具有与大体上水平的平面相比倾斜的表面，并且其中经由所述倾斜表面，所述阴极结构被配置用于从所述倾斜表面朝向所述阴极结构的下端排放金属产物。

The system and method of electrolytic production of aluminium

In some embodiments, the exemplary cell includes a cathode structure arranged in the cell, wherein the cell is configured to produce metal on the surface of the cathode structure, wherein the cathode structure is configured to mate along the bottom plate of the cell, wherein the cathode structure has a surface inclined to a substantially horizontal plane, and wherein The cathode structure is configured to discharge metal products from the inclined surface toward the lower end of the cathode structure.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电解生产铝的系统和方法致谢美国政府资助本专利技术是至少部分地履行由美国能源部门发布的合同号DEAR0000406完成的。美国政府在本专利技术中拥有某些权利。相关申请的交叉引用本申请要求于2017年3月31日提交的美国临时申请号62/479,905的权益，将所述临时申请以其全文通过援引方式并入本文。
总体上，本公开内容涉及具有铝可排放式阴极(drainablecathode)的电解池(electrolyticcell)的各种实施方案。更具体地，本公开内容涉及在电解池(electrolysiscell)中使用新型阴极结构(例如铝可排放式阴极)，使得能够在阴极结构的表面上产生熔融铝的同时将熔融铝排放到收集区域用于收集。
技术介绍
商业化铝电解罐(electrolysispot)使用碳块作为阴极并且使用熔融铝金属垫(pad)作为阴极(定位在池底部的碳块上方)。熔融铝在以二维(“2D”)配置的电解质与熔融铝垫之间的界面处产生，导致低的金属生产率并且需要占地面积大的设施。由极高电流产生的磁场的不稳定性引起的液态金属垫(通过与阴极接触而被阴极极化)的波动阻止在小的阳极至阴极距离处对池进行操作。将高的阳极至阴极距离与熔融电解质的高的电阻组合，阳极至阴极之间的电压降是高的，并且因此导致高的电解池能耗。
技术实现思路
在一些实施方案中，装置包括：设置在电解池内的阴极结构，其中所述电解池被配置用于在所述阴极结构的表面上产生金属(在所述池的底板(floor)的表面上也产生金属)，其中所述阴极结构被配置成沿着所述电解池的底板配合，其中所述阴极结构具有与大体上水平的平面相比时倾斜的表面，其中经由所述倾斜的表面，所述阴极结构被配置用于从所述倾斜的表面朝向所述阴极结构的下端排放金属产物，并且其中所述阴极结构的下端与所述电解池的底板连接。在一些实施方案中，所述阴极结构具有三角形几何结构。在一些实施方案中，所述阴极结构的倾斜的表面具有15度至不大于89度的壁角。在一些实施方案中，所述阴极结构的高度是所述电解池内的熔融浴(moltenbath)的高度的5％至95％。在一些实施方案中，所述阴极结构的上端是成角度的。在一些实施方案中，所述阴极结构的上端具有弧形边缘。在一些实施方案中，所述阴极结构是附接至所述电解池的底板的单体式构件(例如陶瓷或复合材料)。在一些实施方案中，所述单体式构件的下端包括机械附接设备，所述机械附接设备被配置用于使所述单体式构件能够机械附接至所述池底板。在一些实施方案中，所述单体式构件的下端包括粘合剂，所述粘合剂被配置用于使所述单体式构件能够机械附接至所述池底板。在一些实施方案中，所述阴极结构包括附接至支撑构件的至少两个阴极板，其中所述阴极板而非所述支撑构件与所述熔融电解质浴接触。在一些实施方案中，所述阴极结构包括机械附接至所述池底板的至少两个阴极板，其中所述至少两个阴极板和所述池底部限定空体积。在一些实施方案中，所述阴极组件包括多个阴极结构，所述多个阴极结构被配置为沿着电解池的底板呈大体上平行的、间隔的配置。在一些实施方案中，所述阴极结构被配置成作为沿着所述池的底板的碳块的一部分，其中铝可润湿性涂层覆盖所述碳质材料。在一些实施方案中，所述阴极结构被配置成作为沿着所述池的底板的非铝可润湿性部件，其中铝可润湿性涂层覆盖所述非铝可润湿性部件。在一些实施方案中，所述阴极结构包括多个贴片(tile)，所述多个贴片被粘合剂粘附在碳块上方的适当位置，使得所述粘合剂和贴片在所述阴极壁角中协作作为金属排放阴极表面。在一些实施方案中，在所述阴极结构处产生的金属流动至所述池的底板，其中所述底板具有阴极排放角。在一些实施方案中，收集区域与所述电解池中的阴极区域相邻定位，其中所述阴极排放角被配置用于将金属产物引导至所述收集区域。在一些实施方案中，所述阴极排放角是0度至15度。在一些实施方案中，装置包括：阴极组件，所述阴极组件包括电气配置在铝电解池中以电解地参与金属产生的阴极结构，其中所述金属在所述阴极结构的表面上产生，其中所述阴极结构被配置成沿着所述铝电解池的底板配合，进一步，其中所述阴极结构具有阴极壁角，所述阴极壁角带有与大体上水平的平面相比时倾斜的配置，其中经由所述阴极壁角，所述阴极结构被配置用于从其表面朝向所述池的底板排放金属产物，并且其中所述阴极结构进一步配置有沿着所述池的底板的阴极排放角，使得经由所述阴极壁角排放的金属产物进一步被所述阴极排放角沿着所述池的底板引导至与所述电解池中的阴极区域相邻定位的收集区域。在一些实施方案中，所述收集区域沿着所述阴极组件的内部区域定位。在一些实施方案中，所述收集区域位于以下中的至少之一：沿着所述池的至少一个侧壁、沿着所述池的至少一个端壁。在一些实施方案中，所述阴极组件配置有在所述阴极结构与所述收集区域之间的水平部分。在一些实施方案中，所述装置进一步包括：由多个阳极配置成的阳极组件，其中每个阳极是单体式碳块，所述单体式碳块具有被配置成与所述阴极组件的阴极壁角对应的阳极轮廓；其中所述阴极组件的阴极结构和所述阳极组件的阳极被填充有熔融电解质的阳极至阴极距离分开。在一些实施方案中，阳极至阴极距离是1/4”至2”。在一些实施方案中，所述阳极轮廓配置有斜切(beveled)边缘。在一些实施方案中，每个阳极进一步配置有沿着所述阳极的下端配置的至少一个阳极槽(anodeslot)，所述阳极槽被配置用于引导气泡和/或捕获的气体离开所述阳极的下端并且进入所述熔融电解质浴中。在一些实施方案中，方法包括：在改造电解池的过程中，将阴极组件机械附接至池底部，其中所述阴极组件配置有多个由铝可润湿性材料构建的阴极结构，其中每个阴极结构包括阴极壁角以促使金属产物从所述阴极结构的上部或中部排放至所述阴极结构的下部；并且在预热所述电解池后，定位包括多个阳极的阳极组件，其中所述阳极配置有大体上与所述阴极壁角对应的斜切边缘，使得无论是在所述阴极组件的对应的大体上水平的部分与阳极之间测量的还是在具有阴极壁角的阴极结构与所述阳极的斜切边缘之间测量的，阳极至阴极距离都是恒定的。在一些实施方案中，所述方法进一步包括加热配置在所述池中的熔融盐浴；将原料材料进料到所述池，其中所述原料含有期望的金属产物(例如铝金属)的金属化合物(例如氧化铝)；并且在所述池中电解产生金属(例如通过电解将含金属化合物的原料材料转化为金属产物)。在一些实施方案中，将一个或多个阴极组件改装到现有的电解池中用于金属产生。附图说明从以下结合附图对各种实施方案的描述中，本专利技术的这些和/或其他方面和优点将变得显而易见并且更容易理解，其中：图1A-C描绘了根据本公开内容的阴极结构和对应的阳极结构/阳极轮廓的各种实施方案。在图1A中，相比于阴极结构(沿着池底部和/或阴极块配置的多个阴极构件)描绘了互补的阳极轮廓。图1A中提及了用于配置阴极组件的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种装置，其包括：/n设置在电解池内的阴极结构，其中所述电解池被配置用于在所述阴极结构的表面上产生金属，/n其中所述阴极结构被配置成沿着所述电解池的底板配合，/n其中所述阴极结构具有与大体上水平的平面相比时倾斜的表面，/n其中经由所述倾斜表面，所述阴极结构被配置用于从所述倾斜表面朝向所述阴极结构的下端排放金属产物，并且/n其中所述阴极结构的下端与所述电解池的底板连接。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170331 US 62/479,9051.一种装置，其包括：
设置在电解池内的阴极结构，其中所述电解池被配置用于在所述阴极结构的表面上产生金属，
其中所述阴极结构被配置成沿着所述电解池的底板配合，
其中所述阴极结构具有与大体上水平的平面相比时倾斜的表面，
其中经由所述倾斜表面，所述阴极结构被配置用于从所述倾斜表面朝向所述阴极结构的下端排放金属产物，并且
其中所述阴极结构的下端与所述电解池的底板连接。


2.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极结构具有三角形几何结构。


3.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极结构的倾斜表面具有15度至不大于89度的壁角。


4.如权利要求1所述的方法，其中所述阴极结构的高度是所述电解池内的熔融浴的高度的5％至95％。


5.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极结构的上端是成角度的。


6.如权利要求5所述的装置，其中所述阴极结构的上端具有弧形边缘。


7.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极结构是附接至所述电解池的底板的单体式构件。


8.如权利要求7所述的装置，其中所述单体式构件的下端包括机械附接设备，所述机械附接设备被配置用于使所述单体式构件能够机械附接至所述池底板。


9.如权利要求7所述的装置，其中所述单体式构件的下端包括粘合剂，所述粘合剂被配置用于使所述单体式构件能够机械附接至所述池底板。


10.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极结构包括附接至支撑构件的至少两个阴极板，其中所述阴极板而不是所述支撑构件与所述熔融电解质浴接触。


11.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极结构包括机械附接至所述池底板的至少两个阴极板，其中所述至少两个阴极板和所述池底部限定空体积。


12.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极组件包括多个阴极结构，所述多个阴极结构被配置为沿着电解池的底板呈大体上平行、间隔的配置。


13.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极结构被配置成作为沿着所述池的底板的碳块的一部分，其中铝可润湿性涂层覆盖所述碳质材料。


14.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极结构被配置成作为沿着所述池的底板的非铝可润湿性部件，其中铝可润湿性涂层覆盖所述非铝可润湿性部件。


15.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极结构包括多个贴片，所述多个贴片被粘合剂粘附在碳块上方的适当位置，使得所述粘合剂和贴片在所述阴极壁角中协作作为金属排放阴极表面。


16.如权利要求1所述的装置，其中在所述阴极结构处产生的金属流动至所述池的底板，其中所述底板具有阴极排放角。


17.如权利要求16所述的装置，其进一步包括与所述电解池中的阴极区域相邻定位的收集区域，其中所述阴极排放角被配置用于将金属产物引导至所述收集区...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兴华，
申请(专利权)人：美铝美国公司，
类型：发明
国别省市：美国;US