用于控制来自电解槽的热量损失的系统和方法技术方案

一种在冶炼工艺中用于控制来自电解槽的热量损失的系统和方法，其根据电解槽的运行条件使用可调节流体通道来控制电解槽侧壁的优选区域的热量损失，并将废热从电解槽侧壁引回到电解槽内。

System and method for controlling heat loss from electrolyzer

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于控制来自电解槽的热量损失的系统和方法相关申请的交叉引用本申请和PCT专利申请序列号PCT/US2014/041485(其在此通过引用并入本文)通常被分配给柏克德矿业金属股份有限公司(BechtelMining&Metals,Inc.)。
本公开总体上涉及用于控制来自电解槽的热量损失的系统和方法。更具体地，本公开涉及在冶炼过程中使用可调节流体通道来控制来自电解槽的热量损失，使用可调节流体通道基于电解槽中的操作条件来控制来自电解槽侧壁的优选(preferred)区域的热量损失，并且将废热从电解槽侧壁引导回到电解槽中。
技术介绍
通过使用众所周知的的Hall-Héroult工艺在熔融电解液中电解冶炼级(或其他)氧化铝在工业上生产铝金属。该过程在本文中通常可被称为冶炼过程。电解液容纳在包括钢制槽壳的槽中，该槽壳在内部涂覆有耐火和绝缘材料，和位于底部上的阴极组件。碳阳极延伸到电解液中，其包含熔融冰晶石和溶解的氧化铝。可达到大于500kA的值的直流电流经阳极和电解液以产生化学反应，其将氧化铝还原成铝金属，并且通过焦耳效应将电解液加热至大约960℃的温度。来自电解槽的排放包括许多气态和颗粒成分，也称为工艺气体，例如氟化氢(Fg)和微粒氟化物(Fp)。将气态氟化物干吸附和化学吸附到新鲜氧化铝的表面上，随后将氟化氧化铝再回收至电解槽作为铝炼铝工艺的进料材料，这被广泛接受作为用于使来自电解槽的降低氟化物排放的最佳可用技术。注入型干式洗涤系统使用吸附，随后将气态氟化氢化学吸附到冶炼级氧化铝的表面上，然后在释放洗涤过的气体(包括残余排放物)到环境之前过滤氧化铝和微粒。根据电解槽操作电流和操作条件(即，换气速度、电阻，其随阳极到阴极距离(ACD)和电解电流而变化)，从常规电解槽中排出的工艺气体的温度通常在比环境温高100℃至140℃之间变化。因为从电解槽排出的工艺气体的温度与进入电解槽的潮湿的环境气流间接地变化，所以具有显著减少的通风流动的常规冶炼工艺系统理论上可以产生高达大约400℃的工艺气体温度。常规冶炼工艺在能量与金属转化效率仅为50％的情况下是固有低效的(inherentlyinefficient)。能量的平衡以低级废热的形式损失到环境中。因为电解槽中的电流强度具有并且将继续超过500kA，所以释放到工艺气体的能量具有并且将继续增加工艺气体排气温度。如果合适的冷却工艺气体的对策未通过常规的注入型干式洗涤系统来实现，则在氧化铝表面上的气态氟化物的吸附效率将会因此降低。通常控制电解槽以维持优选的热平衡-意味着电解槽所耗散的热量通过槽中产生的热量来平衡。优选的热平衡的点不仅在技术上，而且在经济上实现最有利的操作条件。例如，由于电解槽的能量消耗减少，维持最佳电解液温度代表了铝生产成本的可观节省。维持优选的热平衡很大程度上取决于电解槽的物理设计参数，例如阴极侧壁衬板的尺寸和性质、覆盖材料(外壳)颗粒度/厚度和操作条件(例如电解电流)。例如，根据电网供应和需求，可以在不同的操作条件下调节电解电流强度。调制电流对沿电解槽侧壁的热通量具有直接影响，其沿垂直表面变化。峰值热通量通常发生在熔融电解液-熔融金属交界处，在此处，阳极和阴极棒之间的电欧姆电阻(以及所产生的热量生成)最大。因此，维持优选热平衡还取决于在电解槽中的不同电流强度期间控制来自电解槽侧壁的优选区域的热量损失的能力。控制来自电解槽的热量损失的当前技术包括热交换器和强制冷却系统，其使用固定的、不可调节的元件，例如喷嘴和热交换器，以增强对电解槽侧壁的冷却。这些技术能够调节(增加或减少)侧壁的总热量损失，如当从电网中获得相对低成本的电力时，流经电解槽的电流强度会向上调节，并且在电网需求高峰期间，向下调节以节省电量。然而，基于电解槽中的操作条件，这些技术不能在电解槽侧壁的优选区域内调节已调制的冷却。此外，这些技术将废热从电解槽引导到电解车间(pot-room)中，在那里能量以低级废热的形式损失到环境中。因此，这些技术可以使操作人员暴露于散热和夹带的灰尘。附图说明下面参照附图来描述本公开，在附图中，相同的元件用相同的附图标记表示，并且其中：图1是冶炼工艺系统中的电解车间和电解槽的示意性局部截面图，其示出了根据本公开的可调节流体通道的一个实施例。图2是沿着图1中的2-2的电解槽的截面图，其示出了可调节的流体通道。图3A是图2中3A里的电解槽的放大图，其示出了可调节的流体通道。图3B是图3A中的可调节流体通道的正视图。图4是沿图3B中的4-4的可调节流体通道的顶视图。图5A-5B是示出了在电解槽中的不同操作条件期间沿着侧壁的可调节流体通道的热通量分布和相应的传热系数的图形显示。具体实施方式本公开的主题被详细地描述；然而，描述本身并不旨在限制本公开的范围。因此，主题还可以结合其他当前或未来技术以其他方式体现，以包括与本文描述的那些相似和/或更少的不同的结构、步骤和/或组合。虽然本文中可使用术语“步骤”来描述所采用的方法的不同元件，但所述术语不应被解释为暗示本文所公开的各种步骤当中或之间的任何特定次序，除非另外明确地由所述描述限制为特定次序。在查阅以下附图和详细描述后，所公开的实施例的其他特征和优点对于本领域的普通技术人员而言将是或将变得显而易见。旨在将所有这些特征和优点包括在所公开的实施例的范围内。此外，所图示的附图仅是示例性的，并且不旨在断言或暗示关于其中可以实现不同实施例的环境、架构、设计或过程的任何限制。因此，虽然以下描述涉及炼铝工业(aluminumsmeltingindustry)，但本文所述的系统和方法不限于此，并且也可应用于其他工业和工艺以控制热量损失。在以下描述中提及温度和压力的方面来说，这些条件仅是说明性的，并不意味着限制本公开。本公开通过在冶炼过程中使用可调节流体通道来控制电解槽中的热量损失而克服现有技术中的一个或多个缺点，该可调节流体通道基于电解槽的工作条件控制从电解槽侧壁的优选区域产生的热量损失，并将来自电解槽侧壁的废热导回电解槽中。在一个实施例中，本公开包括一种用于控制来自电解槽的热量损失的系统，其包括：i)支撑电解槽的一对框架；ii)固定在所述一对框架之间的柔性构件；iii)可调节流体通道，其形成在所述柔性构件、所述一对框架的一部分和所述电解槽的侧壁的一部分之间，所述流体通道的端部向所述电解槽外部的环境空气开放并且所述流体通道的另一端部向所述电解槽内部的工艺气体开放；以及iv)偏置组件，所述偏置组件被固定在所述流体通道外部的所述一对框架之间并且与所述柔性构件接触。在另一实施例中，本公开包括一种用于控制来自电解槽的热量损失的方法，其包括：i)将来自电解槽外部的环境空气引入到形成在柔性构件、电解槽的侧壁的一部分和支撑电解槽的一对框架的一部分之间的可调节流体通道中；ii)通过将热量从所述电解槽侧壁的所述部分转移到所述流体通道中的环境空气来控制来自所述电解槽的热量损失；以及iii)将来自流体通道的加热的环境空气引入到电解槽中。现本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于控制来自电解槽的热量损失的系统，所述系统包括；/n一对框架，其支撑所述电解槽；/n柔性构件，其固定在所述一对框架之间；/n可调节流体通道，其形成在所述柔性构件、所述一对框架的一部分和所述电解槽的侧壁的一部分之间，所述流体通道的一端部向所述电解槽外部的环境空气开放并且所述流体通道的另一端部向所述电解槽内的工艺气体开放；以及/n偏置组件，其固定在所述流体通道外部的所述一对框架之间并且与所述柔性构件接触。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于控制来自电解槽的热量损失的系统，所述系统包括；
一对框架，其支撑所述电解槽；
柔性构件，其固定在所述一对框架之间；
可调节流体通道，其形成在所述柔性构件、所述一对框架的一部分和所述电解槽的侧壁的一部分之间，所述流体通道的一端部向所述电解槽外部的环境空气开放并且所述流体通道的另一端部向所述电解槽内的工艺气体开放；以及
偏置组件，其固定在所述流体通道外部的所述一对框架之间并且与所述柔性构件接触。


2.根据权利要求1所述的系统，其中所述柔性构件的一端部固定到被定位在所述一对框架之间的张紧器，并且所述柔性构件的另一端部固定在被定位在所述一对框架之间的夹具内。


3.根据权利要求1所述的系统，其中所述柔性构件的侧边缘固定在被附接到所述一对框架中的一个框架的侧壁的夹具内，并且所述柔性构件的另一个侧边缘固定在被附接到所述一对框架中的另一个框架的侧壁的夹具内。


4.根据权利要求3所述的系统，其中所述柔性构件包括与对相应的侧边缘进行固定的每个夹具相邻的一个或多个折叠部。


5.根据权利要求1所述的系统，其中所述流体通道的端部通过所述电解槽的盖板中的开口向所述电解槽内的所述工艺气体开放。


6.根据权利要求1所述的系统，其中所述流体通道包括具有可调节长度和可调节间隙的扼流区段。


7.根据权利要求6所述的系统，其中所述偏置组件包括与所述柔性构件接触的一对管状滚轴、多个可调节滑轮杆，每个滑轮杆被固定到相应的管状滚轴的相应端部，并且滑轮杆支撑构件被固定到每个滑轮杆。


8.根据权利要求7所述的系统，其中每个可调节滑轮杆由气动装置、电动装置、液压装置和机械装置中的至少一个调节。


9.根据权利要求7所述的系统，其中所述一对管状滚轴沿着所述柔性构件的每个侧边缘之间的最大可获得距离接触所述柔性构件。


10.根据权利要求6所述的系统，其中所述长度表示所述一对管状滚轴之间的距离，并且所述间隙表示所述柔性构件与电解槽侧壁之间的距离。


11.根据权利要求6所述的系统，其中所述扼流区段在所述侧壁后面被定位成与所述电解槽中的熔融冰晶石电解液和熔融金属垫之间的交界相邻。


12.根据权利要求6所述的系统，其中形成所述扼流区段的一部分的电解槽侧壁的一部分表示用于控制热量损耗的电解侧壁的优选区域。


13.根据权利要求10所述的系统，其中所述流体通道包括入口...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特·F·巴克斯特，
申请(专利权)人：贝克特尔矿业金属股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US