基于分子比的铝电解能量平衡调节方法、系统、铝电解槽技术方案

本发明专利技术涉及一种基于分子比的铝电解能量平衡调节方法、系统、铝电解槽，方法包括：1)预设不同分子比下的标准电解质温度区间，采集电解质温度测量值和分子比测量值；2)将电解质温度测量值与对应的标准电解质温度区间比较，若所述电解质温度测量值高于区间上限，则控制增加槽壁换热量；若电解质温度测量值低于区间下限，则控制减少槽壁换热量；若所述电解质温度测量值在区间范围内，则不做调整。本发明专利技术从电解槽散热侧反向对电解槽的热平衡进行调节，与输入端的能量平衡及物料平衡调节参数相互独立，实现了电解槽过热度(电解质温度)与其他工艺参数的“解耦”控制，能够实现电解铝性能优化和能量输入波动时的平稳运行，取得较好的节能效果。

【技术实现步骤摘要】
基于分子比的铝电解能量平衡调节方法、系统、铝电解槽
本专利技术涉及一种基于分子比的铝电解能量平衡调节方法、系统、铝电解槽，属于铝电解槽节能

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能够实现铝电解槽稳定的同时进一步降低能耗的铝电解能量平衡调节方法及实现该方法的铝电解槽、余热回收系统。为实现上述目的，本专利技术的方案包括：本专利技术的一种用于铝电解槽的能量平衡调节方法，包括如下步骤：1)预设在不同分子比下的标准电解质温度区间，采集铝电解槽内电解质的电解质温度测量值和分子比测量值；2)将所述电解质温度测量值与对应分子比下的标准电解质温度区间比较，若所述电解质温度测量值高于对应分子比下的标准电解质温度区间上限，则控制槽壁换热装置使槽壁换热量增加；若所述电解质温度测量值低于对应分子比下的标准电解质温度区间下限，则控制槽壁换热装置使槽壁换热量减少；若所述电解质温度测量值在对应分子比下的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。本专利技术还提供一种铝电解槽，包括电解槽控制器和调节槽壁散热量的槽壁换热装置，所述槽壁换热装置至少设置于电解槽的一个侧壁上；所述电解槽控制器控制所述槽壁换热装置，所述电解槽控制器还执行实现上述用于铝电解槽的能量平衡调节方法的指令。本专利技术还提供一种铝电解槽余热回收系统，包括余热回收系统控制器和调节槽壁散热量的槽壁换热装置，所述槽壁换热装置用于至少设置于电解槽的一个侧壁上；所述余热回收系统控制器控制所述槽壁换热装置，所述余热回收系统控制器还执行实现上述用于铝电解槽的能量平衡调节方法的指令。本专利技术的技术效果：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，本专利技术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。本专利技术的方案采集电解槽电解质的热参数(采集电解质温度和分子比)，并针对电解槽的过热度进行独立优化调节(分子比反应出了电解质的初晶点即初晶温度，初晶温度一定的情况下，电解质温度的高低即反应了过热度的高低，本方案根据初晶点确定标准电解质温度，即确定了标准过热度，再将电解质温度控制在标准电解质温度范围内，实现了将过热度控制在标准过热度范围内)，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)本专利技术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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铝电解能量平衡调节方法，其特征在于，包括如下步骤：/n1)预设在不同分子比下的标准电解质温度区间，采集铝电解槽内电解质的电解质温度测量值和分子比测量值；/n2)将所述电解质温度测量值与对应分子比下的标准电解质温度区间比较，若所述电解质温度测量值高于对应分子比下的标准电解质温度区间上限，则控制槽壁换热装置使槽壁换热量增加；若所述电解质温度测量值低于对应分子比下的标准电解质温度区间下限，则控制槽壁换热装置使槽壁换热量减少；若所述电解质温度测量值在对应分子比下的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。/n

【技术特征摘要】
20190710 CN 20191062164641.一种铝电解能量平衡调节方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)预设在不同分子比下的标准电解质温度区间，采集铝电解槽内电解质的电解质温度测量值和分子比测量值；
2)将所述电解质温度测量值与对应分子比下的标准电解质温度区间比较，若所述电解质温度测量值高于对应分子比下的标准电解质温度区间上限，则控制槽壁换热装置使槽壁换热量增加；若所述电解质温度测量值低于对应分子比下的标准电解质温度区间下限，则控制槽壁换热装置使槽壁换热量减少；若所述电解质温度测量值在对应分子比下的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。


2.根据权利要求1所述的铝电解能量平衡调节方法，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。


3.根据权利要求1或2所述的铝电解能量平衡调节方法，其特征在于，所述分子比测量值的采集方法包括，在线测量获得铝电解槽内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；...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁学民，李晓春，冯冰，曹志成，
申请(专利权)人：郑州轻冶科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41