专利名称：生产铝的电解池和保持侧壁的硬壳层并回收电力的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于生产铝的电解池，一种用于保持生产铝所用的电解池的侧壁上的硬壳层的方法，以及一种用于从生产铝所用的电解池回收电力的方法。
电解槽包括钢外壳，该外壳在底部中具有碳块。这些块连接到电母线，从而使碳块用作阴极。电解槽的侧壁一般以靠着钢外壳的耐火材料为内衬，并且一层碳块或碳胶形成在耐火材料的内侧上。有几种类型的内衬材料和布置侧壁内衬的方法。
在电解池的操作期间，凝固的电解液的硬壳层或突出部形成在电解槽的侧壁上。在电解池的操作期间，这个层可以改变厚度。这个硬壳层的成型和其厚度对于电池的操作来说很关键。如果硬壳层变得太厚，当接近壁的电解液的温度变得比大部分电解液中的温度更冷时，该硬壳层将会干扰电池的操作，由此干扰氧化铝在该电解液中的溶解。在另一方面，如果凝固的硬壳层变得太薄或者不存在，电解液将会侵蚀电解槽的侧壁内衬，这最终可以导致该槽的失效。如果该电解液侵蚀侧壁，电解池就必须关闭，必须将电解槽拆下来并且必须安装一个新的。这是减少电解槽的平均寿命的一个主要原因。
为了保持侧壁内衬上的电解液的凝固层的适当厚度，需要以这样的方式设计侧壁内衬，使得从该电解液通过侧壁内衬的热流足够高以便保持侧壁内衬的内侧上的凝固硬壳层。通过电解槽的侧壁的热量损失因此可能占到高达来自电解池的总热量损失的40％。然而，即使利用侧壁内衬的适当设计，也不可能在这个侧壁内衬上得到和保持凝固池的薄的稳定层，这是由于电解液成分的变化和不在操作者控制下的其他过程变化。
因此，本发明涉及一种用于生产铝的电解池，其包括阳极和电解槽，其中该电解槽包括由钢制成的外壳和形成电解池的阴极的位于该槽底部中的碳块，该电解池的特征在于，电解槽的侧壁的至少一部分包括一个或多个蒸发冷却的板，并且其中高温、耐热和绝热的材料布置在蒸发冷却的板和钢外壳之间。
根据一个优选实施例，电解池的所有侧壁都装备有蒸发冷却的板。
根据另一个实施例，蒸发冷却的板用于包含第一冷却介质，该冷却介质在大气压力下的沸点为850-950℃，优选为900-950℃。
合适的是，蒸发冷却的板包含作为冷却介质的熔融钠、熔融钠锂合金或熔融锌。
根据本发明的再一个实施例，每个蒸发冷却的板在其上部中具有用于使第二冷却介质循环的装置以便对流除热，从而使冷却介质在蒸发冷却的板中冷凝。
根据本发明的又一个实施例，用于使第二冷却介质循环的装置是第一封闭回路，并且该第一封闭回路的一部分通过电解池中的每个蒸发冷却的板的上部。
不在蒸发冷却的板的上部内的用于第二冷却介质的第一封闭回路的部分优选布置在耐热和绝热的材料中，该材料布置在蒸发冷却的板和钢外壳之间。
用于使第二冷却介质循环的第一封闭回路优选连接到热交换器，以便将热量从第二冷却介质传递到包含在第二封闭回路内的第三冷却介质。在热交换器中被加热之后，第三冷却介质被泵送通过发电机以便产生电能。热交换器优选布置在蒸发冷却的板和钢外壳之间的耐热和绝热的材料中。
用于使第三冷却介质循环的第二封闭回路优选连接到用于多个电解池的热交换器，并且更优选地连接到用于电解池列中的所有电解池的热交换器。
当操作根据本发明的带有多个电解池的电解池列时，各个电池中的每个蒸发冷却的板设定成这样操作，使得面对电解池内部的板的该侧上的温度稍低于熔融电解液的温度，优选比电解液的温度低2到50℃。因此，由于蒸发冷却的板和熔融电解液之间的小的温度降，电解液的薄的固态和稳定的硬壳层就将形成在面对熔融电解液的蒸发冷却的板的该侧上。这个硬壳层将保护面对熔融电解液的蒸发冷却的板的该侧。作为实例，如果电解液的温度是940℃，蒸发冷却的板就被设定在920℃下操作。另外，由于布置在蒸发冷却的板和钢外壳之间的耐热和绝热的材料，通过侧壁的热流是可以忽略的。
热量将从电解液传递到每个蒸发冷却的板，并且蒸发冷却的板的下部中的第一液体冷却介质通过该第一液体冷却介质的一部分的蒸发将该热量传递到蒸发冷却的板的上部。在蒸发冷却的板的上部中，当蒸汽与用于使第二冷却介质循环的第一冷却回路接触时，该蒸汽将会冷凝，并且冷凝热将会传递到第二冷却介质。冷凝的第一冷却介质将向下流入蒸发冷却的板的下部。
传递到第二冷却介质的热量将导致第二冷却介质的温度升高，当第二冷却介质通过热交换器时，该温度升高被传递给第二封闭回路中的第三冷却介质。
从电解液传递到电解池中的各个蒸发冷却的板的热量可以从板到板地变化并且还可以随时间变化。为了能够将正确量的热量从每个单独的蒸发冷却的板传递出来，根据本发明，在第一封闭冷却回路中布置一装置，以便调节通过每个蒸发冷却的板的上部的第二冷却介质的温度或量。这可以用多种方式实现。因此用于使第二冷却介质循环的第一封闭回路的部分装备有电加热元件，以便刚好在第二冷却介质进入每个蒸发冷却的板的上部之前加热第二冷却介质。在另一个实施例中，布置有用于旁通第二冷却介质的一部分的阀和管道，以便调节进入每个蒸发冷却的板的上部内的第一封闭回路的第二冷却介质的量。
在第三实施例中，可以在用于第二冷却介质的第一冷却回路的部分上布置有可调节的阀，以便调节流入位于每个蒸发冷却的板的上部内的第一封闭冷却回路的部分的第二冷却介质的量。
对每个蒸发冷却的板的热传递的单独控制保证了热量传输总是以这样的方式控制，使得电解液的薄的凝固层保持在每个电解池中的所有蒸发冷却的板的面对电解液的该侧上。
第一封闭回路中的第二冷却介质优选为气体，例如二氧化碳、氮、氦或氩，这些气体在比第一冷却介质的温度更低的温度下操作。
如上所述，来自用于使第三冷却介质循环的第二封闭回路的热量循环通过热交换器，该热交换器与多个电解池的热交换器相关联。第三冷却介质优选为气体，例如氦、氖、氩、一氧化碳、二氧化碳或氮，这些气体在已经循环通过用于电解池列中的所有电解池的热交换器之后逐渐提高温度和压力。加热过的第三冷却介质前进到连接于发电机的气涡轮，以便产生电流，此后离开涡轮的冷却的气体回收到第二封闭回路中。这个封闭回路的热能传递可以使热能以45％或更高的效率转换为电力。根据这种电能回收，电解池的总的电流效率显著地改善了。
由于本发明可以控制蒸发冷却的板和熔融电解液之间的边界的温度，所以由此将电解液的薄的固态层固定在面对该电解液的板的该侧上，破坏电解池的侧壁的危险就没有了。电解池的平均寿命因此显著地增加。
另外，避免了侧壁上的固态电解液的常规的大硬壳层，这得到了更好的效率和电池操作控制，这是因为熔融电解液沿着侧壁的温度将与大部分该电解液的温度无明显差异。至少在使用索德伯格自焙阳极时，当氧化物被供应到电解池的侧壁附近时，这将使添加的氧化铝更快溶解。
最后，在本发明的电解池中，因为可以通过蒸发冷却的板调节侧壁温度而与电解液温度无关，以便保持对电解液的理想的温度差，所以电解液的操作温度和成分可以更自由地选择以便优化电池效率。因此，例如，电解液的氟化物含量可以增加，结果是添加到电解液中的氧化铝更快溶解，并且每个电池的电流密度可以最优化，而无须考虑到可能的侧壁侵蚀。
本发明还涉及一种保持用于生产铝的电解池的侧壁上的硬壳层的方法，该方法的特征在于一个或多个蒸发冷却的板布置在电解池的内侧上，使得该板的一侧与该电池内的熔体接触，并且另一侧与高温、耐热和绝热的材料接触，绝热材料与电池的钢外壳接触。蒸发冷却的板具有第一冷却介质，其中该冷却介质的温度被保持为这样，使得该板的一侧的温度稍低于熔体的温度，由此在该板的一侧上形成硬壳层。
如上所述，优选的是，该板的一侧上的温度比熔体的温度低大约2℃到大约50℃。以这种方式，保持了硬壳层的适当厚度，即，既不太厚也不太薄。
通过第二冷却介质保持第一冷却介质的温度，该第二冷却介质通过第一冷却回路循环，使得热量在第一冷却介质和第二冷却介质之间交换。为了冷却第二冷却介质，热量通过热交换器在第二冷却介质和第三冷却介质之间交换。
为了控制第一冷却介质的温度，以及同样地控制面对熔体的板的该侧的温度，利用阀或者利用加热单元来控制与第一冷却介质交换热量的第二冷却介质的量或第二冷却介质的温度。
最后，为了对总体方法提供能量有效性，通过连接到发电机上的气涡轮将热量从第三冷却介质回收成为电能。
本发明还教导了一种方法，用于从生产铝所用的电解池回收电力。该方法的特征在于一个或多个蒸发冷却的板与该电池内的熔体接触，并且另一侧与高温、耐热和绝热的材料接触，绝热材料与电池的钢外壳接触。蒸发冷却的板具有第一冷却介质，并且该第一冷却介质的温度使得该板的一侧的温度稍低于熔体的温度，由此在该板的一侧上形成硬壳层。来自第一冷却介质的热量被回收并转换为电能。
更具体地说，通过第二冷却介质保持第一冷却介质的温度，该第二冷却介质通过第一封闭回路循环，使得热量在第一冷却介质和第二冷却介质之间交换。热量还通过热交换器在第二冷却介质和第三冷却介质之间交换。通过连接到发电机上的气涡轮将热量从第三冷却介质中排除以便产生电力。
图3表示了通过根据本发明的优选电解池的一部分的垂直截面。
在钢外壳3内部，在电解槽的侧壁上布置有一层绝热耐火材料6，并且在该层绝热耐火材料6的内侧上布置有面对着电解池的内侧的蒸发冷却的板7。该蒸发冷却的板优选由非磁性钢制成。该蒸发冷却的板7包括用于包含液体状态的第一冷却介质的下部8，该第一冷却介质的熔点低于电解池的操作温度，并且其沸点大约为电解池的操作温度。优选的冷却介质是钠，但是也可使用满足以上要求的其他冷却介质。
蒸发冷却的板7具有上部9，用于使从蒸发冷却的板7的下部8蒸发的冷却液体冷凝。蒸发的冷却介质在蒸发冷却的板7的上部9中的冷凝通过这样的方式发生，即，使得温度比包含在蒸发冷却的板7中的第一冷却介质更低的第二冷却介质循环，通过形成第一封闭冷却回路10的管道10C，穿过蒸发冷却的板7的上部9的内部。
当操作时，电解池包含熔融铝的下层11和以冰晶石为基础的熔融电解液12的上层12。
氧化铝以常规的方式供应到电解液12，并且溶解在该电解液12中。
在图2中，示意地表示了带有冷却电路的结构的根据本发明的电解池的顶视图。
盖住侧壁的全部面积的蒸发冷却的板7被表示为P1到P14。为了使附图
更易于理解，耐火的绝热材料和钢外壳在图2中并未示出。图2中所示的阳极5是索德伯格自焙阳极。
用于使第二冷却介质循环的第一封闭回路由参考标记10表示，该第二冷却介质优选为二氧化碳、氮、氦或氩。泵13布置在第一封闭回路中以便使第二冷却介质循环，并且布置有热交换器14，使第二冷却介质通过该热交换器循环。第一封闭回路10具有进入和退出每个蒸发冷却的板7的上部9的支路15和16。只有少数支路15和16示于图2中。在进入蒸发冷却的板7的上部9的每个支路15上布置有加热元件17。
用于使第二冷却介质循环的第一封闭回路10以下列方式工作当第二冷却介质通过热交换器14时，热量从第二冷却介质传递到第三冷却介质，以便在其通过热交换器时获得第二冷却介质的预设定温度。第三冷却介质在第二封闭回路18中。为了进一步控制第二冷却介质的温度，优选布置有旁通线路21，使其可以绕过热交换器14外部的一部分第二冷却介质。
一部分第二冷却介质通过支路15流入蒸发冷却的板P1，在该支路15中由于蒸发冷却的板P1中的第一冷却介质的冷凝热，第二冷却介质被加热。此后，第二冷却介质通过支路16流出蒸发冷却的板P1并进入主导管10。对于所有的蒸发冷却的板P1到P14都是这样。已经在每个蒸发冷却的板P1到P14中加热的第二冷却介质接着流过热交换器14，在该热交换器中第二冷却介质的温度被再次降低。
从一个蒸发冷却的板7到另一个蒸发冷却的板7，在蒸发冷却的板的上部9中的第一冷却介质的冷凝期间传递到第二冷却介质的热量可以改变，并且对于每个蒸发冷却的板7来说，传递到第二冷却介质的热量也可以随时间而改变。因此优选的是包括这种装置，其用于单独地控制进入每个蒸发冷却的板7内部的管道10C的第二冷却介质的温度或者量。在一个实施例中，通过将电加热元件17布置在每个支路15上来实现这种情况。优选根据布置在每个蒸发冷却的板7中的热电偶所测量的温度，单独地控制加热元件17。
在另一个实施例中，在每个支路15中布置有单独控制的阀，该阀根据每个单独的蒸发冷却的板7中的温度增加或减少在支路15中流动的第二冷却液体的量。
以这种方式，每个蒸发冷却的板7的下部8中的第一冷却介质中的温度锁定在预设定温度或者在预设定温度间隔中。
为了在第二冷却介质通过热交换器14的时候将热量从第二冷却介质中排除，布置有第二封闭回路18以便输送第三冷却介质，该第三冷却介质的温度低于在第二冷却介质通过热交换器14时的第二冷却介质的温度。在封闭回路18中循环的第三冷却介质优选是气体。在已经于热交换器14中加热之后，该气体前进到连接于发电机20的涡轮19以便发电。离开涡轮19的冷却的气体接着返回到热交换器14。气体中的热能以45％或者更高的效率在发电机20中转换为电能。
用于使第三冷却介质循环的第二封闭回路18优选连接到用于多个电解池的热交换器14，并且更优选地连接到用于电解池列中的所有电解池的热交换器14。这在图2中示出，其中表示了用于第二电解池的第二热交换器14A。
发电机20中产生的电的结果是，在电解池中生产出每吨铝所消耗的有效能量大大降低。
第二封闭回路18具有用于使第三冷却介质循环的泵22和常规的排放结构23。
如上所述，优选的是，第一封闭回路10和热交换器14的大部分部件布置在耐热和绝热材料6中。这个优选实施例示于图3中，其中每个电解槽具有入口和出口以便与第二封闭回路18的管道相连接。第一封闭回路10的流出管道10A和流入管道10B以及蒸发冷却的板7的上部9中的管道部分10C都如图所示。这些连接器使得第三冷却介质循环通过热交换器14。然后在电池的侧壁上形成凝固的电解液的硬壳层24。
权利要求
1.一种用于生产铝的电解池，其包括阳极和电解槽，其中该电解槽包括由钢制成的外壳和形成电解池的阴极的位于该槽底部中的碳块，其特征在于，电解槽的侧壁的至少一部分包括一个或多个蒸发冷却的板，并且其中高温、耐热和绝热的材料布置在蒸发冷却的板和钢外壳之间。
2.根据权利要求1所述的电解池，其特征在于，电解池的所有侧壁都装备有蒸发冷却的板。
3.根据权利要求1或2所述的电解池，其特征在于，蒸发冷却的板用于包含冷却介质，该冷却介质在大气压力下的沸点为850-950℃。
4.根据权利要求3所述的电解池，其特征在于，蒸发冷却的板用于包含作为冷却介质的熔融钠、熔融钠锂合金或熔融锌。
5.根据权利要求1或2所述的电解池，其特征在于，每个蒸发冷却的板在其上部中具有用于使第二冷却介质循环的装置以便对流冷却，从而使冷却介质在蒸发冷却的板中冷凝。
6.根据权利要求5所述的电解池，其特征在于，用于使第二冷却介质循环的装置是第一封闭回路，所述第一封闭回路通过电解池中的每个蒸发冷却的板的上部。
7.根据权利要求6所述的电解池，其特征在于，不在蒸发冷却的板的上部内的用于第二冷却介质的第一封闭回路的部分布置在耐热和绝热的材料中，该材料布置在蒸发冷却的板和钢外壳之间。
8.根据权利要求7所述的电解池，其特征在于，用于使第二冷却介质循环的第一封闭回路连接到热交换器，以便将热量从第二冷却介质传递到包含在第二封闭回路内的第三冷却介质。
9.根据权利要求8所述的电解池，其特征在于，热交换器布置在蒸发冷却的板和钢外壳之间的耐热和绝热的材料中。
10.根据权利要求5所述的电解池，其特征在于，布置在第二冷却介质进入每个蒸发冷却的板的上部之前用于调节第二冷却介质的温度的装置。
11.根据权利要求10所述的电解池，其特征在于，用于调节第二冷却介质的温度的装置是电加热元件。
12.根据权利要求10所述的电解池，其特征在于，用于调节第二冷却介质的温度的装置是可调节的阀。
13.根据权利要求10所述的电解池，其特征在于，用于调节第二冷却介质的温度的装置是带有可调节的阀的旁通导管。
14.根据权利要求8所述的电解池，其特征在于，用于使第三冷却介质循环的第二封闭回路连接到涡轮和发电机以便将热能转换为电能。
15.一种具有多个用于生产铝的电解池的电解池列，其特征在于a)每个电解池包括阳极和电解槽，其中该电解槽具有由钢制成的外壳；形成电解池的阴极的位于该槽底部中的碳块；布置在该槽的所有侧壁上的耐热和绝热的材料；以及一个或多个蒸发冷却的板，该蒸发冷却的板定位在至少一部分形成侧壁的耐热和绝热的材料上，使得蒸发冷却的板面对该槽的内部；包含在所述蒸发冷却的板内的第一冷却介质；使第二冷却介质循环的第一封闭回路，第一封闭回路的一部分通过蒸发冷却的板的上部以便冷却第一冷却介质，并且不在蒸发冷却的板的上部内的第一封闭回路的部分布置在耐热和绝热的材料中；以及热交换器，该热交换器连接到第一封闭回路并且定位在耐热和绝热的材料中；以及b)第二封闭回路，该第二封闭回路连接到电解池列中的每个电解池的热交换器上；在第二封闭回路中循环的第三冷却介质，热交换器将热量从第二冷却介质传递到第三冷却介质。
16.根据权利要求15所述的电解池列，其特征在于，用于使第三冷却介质循环的第二封闭回路连接到涡轮和发电机以便将热能转换为电能。
17.一种保持用于生产铝的电解池的侧壁上的硬壳层的方法，其特征在于(a)一个或多个蒸发冷却的板布置在电解池的内侧上，使得该板的一侧与该电池内的熔体接触，并且另一侧与高温、耐热和绝热的材料接触，绝热材料与电池的钢外壳接触，该板在其中具有第一冷却介质；以及(b)蒸发冷却的板中的第一冷却介质的温度被保持为这样，使得该板的一侧的温度稍低于熔体的温度，由此在该板的一侧上形成硬壳层。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，该板的一侧上的温度比熔体的温度低大约2℃到大约50℃。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，通过第二冷却介质保持第一冷却介质的温度，该第二冷却介质通过第一封闭回路循环，使得热量在第一冷却介质和第二冷却介质之间交换；并且热量还通过热交换器在第二冷却介质和第三冷却介质之间交换，由此冷却第二冷却介质。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，与第一冷却介质交换热量的第二冷却介质的量或第二冷却介质的温度有效地控制第一冷却介质的温度。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，热量从第三冷却介质回收成为电能。
22.一种方法，用于从生产铝所用的电解池回收电力，并且用于保持电解池的侧壁上的硬壳层，其特征在于(a)一个或多个蒸发冷却的板布置在电解池的内侧上，使得该板的一侧与该电池内的熔体接触，并且另一侧与高温、耐热和绝热的材料接触，绝热材料与电池的钢外壳接触，该板在其中具有第一冷却介质；(b)蒸发冷却的板中的第一冷却介质的温度被保持为这样，使得该板的一侧的温度稍低于熔体的温度，由此在该板的一侧上形成硬壳层；以及(c)来自第一冷却介质的热量被回收并转换为电能。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，通过第二冷却介质保持第一冷却介质的温度，该第二冷却介质通过第一封闭回路循环，使得热量在第一冷却介质和第二冷却介质之间交换；热量还通过热交换器在第二冷却介质和第三冷却介质之间交换，由此冷却第二冷却介质；并且通过气涡轮和发电机将热量从第三冷却介质中排除以便产生电力。
全文摘要
本发明涉及一种用于生产铝的电解池，其包括阳极和电解槽，其中该电解槽包括由钢制成的外壳和形成电解池的阴极的位于该槽底部中的碳块。电解槽的侧壁的至少一部分包括一个或多个蒸发冷却的板，并且其中高温、耐热和绝热的材料布置在蒸发冷却的板和钢外壳之间。本发明还包括一种方法，用于保持该槽的侧壁上的硬壳层，并且用于从板内的冷却介质回收热量以便转换为电能。
文档编号C25C3/00GK1434881SQ01810829
公开日2003年8月6日 申请日期2001年5月29日 优先权日2000年6月7日
发明者J·A·奥尼, K·约翰森, P·O·诺斯 申请人:埃尔凯姆公司