用于高能效电解池的系统和方法技术方案

本文公开了用于获得高效铝冶炼装置的系统和方法。更具体地，本文公开了一种方法，其包括：向包括电解质的电解池施加包括振荡电流波形的交流电流(AC)并持续第一预定时间，其中波形包括预定的振幅、频率和/或相位以稳定电解池，使得在电解期间在电解质中基本上观察不到电流振荡的变化。本文还公开了包括电解池、直流电源和交流电源的系统。当向电解池施加AC时，所公开的电解池在预定的时间段内基本上不表现出存在于熔盐电解质中的振荡的变化。表现出存在于熔盐电解质中的振荡的变化。表现出存在于熔盐电解质中的振荡的变化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于高能效电解池的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年2月10日提交的美国临时申请第62/972286号的权益，其内容通过引用整体并入本文。
[0003]承认政府支持声明
[0004]本专利技术是在美国国家科学基金会颁发的授权编号为CBET
‑
1552182号的政府支持下完成的。政府对本专利技术享有一定的权利。

技术介绍

[0005]目前，铝通过使大且稳定的(DC)电流通过液态铝顶部的熔盐池来制备，这一方法消耗全球约3％的电力(约10
11
kWh/年)(P.A.DAVIDSON和R.I.LINDSAY.Stability of interfacial waves in aluminum reduction cells.Journal of Fluid Mechanics,362:273
‑
295,1998)。这些能量的约40％的在盐中以热的形式浪费掉，并且如果盐层更薄，其可以被节省下来。遗憾的是，盐的减薄导致共振不稳定，其中表面波会不受控制地生长直至冶炼装置(smelter)停机。
[0006]因此，需要用于制备铝的系统和方法，其允许减小盐层的厚度，从而提高能耗的效率而不损害铝冶炼装置的稳定性。本公开至少部分地满足了这些需求和其他的需求。

技术实现思路

[0007]本专利技术涉及一种方法，其包括向包括电解质的电解池施加包括振荡电流波形的交流电流(AC)并持续第一预定时间，其中波形包括预定的振幅、频率和/或相位以稳定电解池，使得在电解期间在电解质中基本上观察不到电流振荡的变化。
[0008]在又一些方面，本文还公开了一种方法，其包括：a)向计算处理器提供第一数据，其中第一数据包括电解池的几何参数、电解池的阴阳极距离、直流电流值、直流电流的振幅、金属层的厚度、金属的材料性质、电解质的材料性质、阴极的材料性质、阳极的材料性质或其任意组合的一个或多于一个中的至少一个；b)通过计算处理器分析第一数据以提供包括交流电流(AC)的参数的第二数据，其中参数包括AC的振荡电流形式的第一振幅、第一频率和/或第一相位中的一个或多于一个；和c)向电解池施加具有存在于第二数据中的一个或多于一个参数的AC以稳定电解池。在又一些方面，所述方法还包括d)从电解池收集第三数据并将第三数据传输至计算处理器以分析电解池的性能；e)通过计算处理器分析第三数据以提供包括交流电流(AC)的参数的第四数据，其中参数包括AC的振荡电流形式的第二振幅、第二频率和/或第二相位中的一个或多于一个；和f)向电解池施加具有存在于第四数据中的一个或多于一个参数的AC。
[0009]在又一些方面，还公开了一种用于提高电解池中的能效的方法，其包括：向包括电解质的电解池施加包括振荡电流波形的交流电流(AC)并持续第一预定时间，其中波形包括预定的振幅、频率和/或相位以稳定电解池，使得在电解期间在电解质中基本上观察不到电流振荡的变化；和其中与没有施加AC的基本上相同的参考电解池相比，能效增加了至少约
5％。
[0010]在又一些方面，公开了一种系统，其包括：a)电解池，其包括：i)阳极；ii)阴极；和iii)具有预定厚度的电解质；b)直流电源，其与电解池电连通并配置为提供具有预定振幅的直流电流(DC)并在电解池中引发电解反应；c)包括交流电源(AC)的装置；其中装置与电解池电连通并配置为向电解池提供交流电流(AC)，其中AC包括由预定的振幅、频率和/或相位定义的振荡电流波形；其中装置与电解池处于反馈回路通信；其中当向电解池提供AC时，电解池在预定的时间段内基本上不表现出存在于熔盐电解质中的振荡。
[0011]在又一些方面，本文所公开的电解池是铝电解池。在又一些方面，熔盐电解质包含冰晶石。在又一些方面，熔融电解质的预定厚度可以等于或小于约4.5cm。
[0012]本公开的其他方面将部分地在随后的具体实施方式、附图和权利要求中阐述，并且部分地将源自具体实施方式，或者可以通过本专利技术的实践来了解。应当理解，上述一般描述和以下具体实施方式都只是示例性和解释性的，而不是对所公开的专利技术的限制。
附图说明
[0013]图1是Hall
‑
Heroult电解池(H
‑
H电解池)的示意图(根据P.A.DAVIDSON等人,“Stability of interfacial waves in aluminium reduction cells.”Journal of Fluid Mechanics,362:273
–
295,1998)。
[0014]图2在一个方面描述了示例性系统的示例性示意图。
[0015]图3在一个方面描述了示例性系统的示例性示意图。
[0016]图4描述了类同于铝电解池中的晃动(sloshing)不稳定性的示例性力学模型图(根据PA DAVIDSON等人,“Stability of interfacial waves in aluminium reduction cells.”Journal of Fluid Mechanics,362:273
–
295,1998)。
[0017]图5A至图5C描述了一个实施方案中的示例性模型：图5A是未受干扰状态的模型；图5B是绕x轴小幅旋转的模型；图5C是绕y轴小幅旋转的模型。
[0018]图6A至图6B描述了一个实施方案中的示例性模型：图6A描述了x
‑
y视图中的洛伦兹力和引力；图6B描述了z
‑
x视图中的洛伦兹力和引力。
[0019]图7描述了一个实施方案中的示例性模型。
[0020]图8描述了一个实施方案中的示例性模型。
[0021]图9描述了一个实施方案中的示例性模型。
[0022]图10A至图10D在一个方面描述了示例性铝电解池模型的振荡：图10A示出了当直流电流施加1
×
104s时的振荡，其中ω
x
＝1.5302Hz，ω
y
＝0.37559Hz，并且a＝1.100204；图10B示出了当直流电流施加1
×
104s时的振荡，其中ω
x
＝1.5302Hz，ω
y
＝0.37559Hz，并且a＝1.100206；图10C示出了当直流电流施加1
×
104s时的振荡，其中ω
x
＝1.5302Hz，ω
y
＝0.37559Hz，并且a＝1.100207；图10D示出了当施加直流电流1
×
104s时的振荡，其中ω
x
＝1.5302Hz，ω
y
＝0.37559Hz，并且a＝1.100208。
[0023]图11A至图11C在一个方面描述了示例性铝电解池模型的振荡：图11A示出了当施加直流电流60s时的振荡，其中ω...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种方法，其包括：向包括电解质的电解池施加包括振荡电流波形的交流电流(AC)并持续第一预定时间，其中波形包括预定的振幅、频率和/或相位以稳定电解池，使得在电解期间在电解质中基本上观察不到电流振荡的变化。2.根据权利要求1所述的方法，其中电解质是熔盐电解质。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在施加AC之前向电解池施加直流电流(DC)并持续第二预定时间。4.根据权利要求3所述的方法，其中在施加AC的同时继续施加直流电流并持续第一预定时间。5.根据权利要求1或2所述的方法，其中在施加AC的同时向电解池施加直流电流(DC)并持续第一预定时间。6.根据权利要求3至4中任一项所述的方法，其中第二预定时间由从施加DC到在电解池中出现共振不稳定所测量的时间段定义。7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中电解池还包括阳极和阴极。8.根据权利要求7所述的方法，其中振幅、频率和/或相位预定为使得与不施加AC的基本上相同的参考电解池的阴阳极距离相比，阴阳极距离减小。9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中与不施加AC的基本上相同的参考电解池的能效相比，所述电解池表现出能效的增加。10.根据权利要求8至9中任一项所述的方法，其中电解池表现出与阴阳极距离的减小基本成比例的能效的增加。11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中，与不施加AC的基本上相同的参考电解池相比，电解池表现出至少约5％的能效增加。12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中波形由共同形成驻波的多种模式定义。13.根据权利要求12所述的方法，其中波形的多种模式配置为破坏循环波的形成和/或生长。14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中AC由与电解池电连通的包括交流电源的装置提供。15.根据权利要求3至14中任一项所述的方法，其中DC由还包括直流电源的装置提供。16.根据权利要求3至15中任一项所述的方法，其中DC由单独的直流电源提供。17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其还包括测量电流振荡。18.根据权利要求17所述的方法，其中测量由控制单元执行，控制单元与装置和电解池处于反馈回路通信，使得其配置为从装置和/或电解池接收包括第一数据的输入通信，并且向装置和/或电解池提供输出通信，其中输出通信包括针对第一数据调整的第二数据。19.根据权利要求17至18中任一项所述的方法，其中装置与电解池处于反馈回路通信。20.根据权利要求1至19中任一项所述的方法，其中振荡电流波形包括正弦、余弦、三角形或方形形状。21.根据权利要求3至20中任一项所述的方法，其中AC还由AC的预定振幅与DC的预定振幅的无量纲振幅比β来定义，其中β为大于0至约0.15。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的方法，其中AC的频率为约0.01Hz至约0.5Hz(约π/50rad/s至约πrad/s)。23.根据权利要求18至22中任一项所述的方法，其还包括基于来自电解池的反馈通信调整AC的预定振幅、频率和/或相位或AC的β的步骤。24.根据权利要求1至23中任一项所述的方法，其中电解池是铝电解池。25.根据权利要求2至24中任一项所述的方法，其中熔融电解质包括冰晶石。26.根据权利要求7至25中任一项所述的方法，其中阳极和/或阴极包含碳。27.根据权利要求1至26中任一项所述的方法，其中电解质具有等于或小于约4.5cm的厚度。28.根据权利要求1至27中任一项所述的方法，其中电解质的厚度为约3cm至约4.3cm。29.一种方法，其包括：a)向计算处理器提供第一数据，其中第一数据包括电解池的几何参数、电解池的阴阳极距离、直流电流值、直流电流的振幅、金属层的厚度、金属的材料性质、电解质的材料性质、阴极的材料性质、阳极的材料性质或其任意组合中的一个或多于一个的至少一个；b)通过计算处理器分析第一数据以提供包括交流电流(AC)的参数的第二数据，其中参数包括AC的振荡电...

【专利技术属性】
技术研发人员：道格拉斯，
申请(专利权)人：罗切斯特大学，
类型：发明
国别省市：