一种将料添加到电解质中的装置和方法

技术领域

本发明涉及铝电解技术领域，具体为一种将料添加到电解质中的装置和方法。

背景技术

铝电解槽加料技术的发展是铝电解槽技术进步的核心标志，至少经历了边部下料技术、中心下料技术和点式下料技术三个阶段。

现有电解槽中，在电解质壳面的上表面的空间中形成一个负压区域，即水平罩板下的集气箱与槽上烟管相通，集气箱侧部和/或底部设置吸气孔，水平罩板周围用可移动的槽罩密封，从而在由电解质壳面的上表面、水平罩板、槽罩组成的集气罩中形成负压，用于收集、密封电解烟气，并吸入一部分空气；集气罩中的烟气被吸入到集气箱后经槽上烟管进入墙外的总烟管。因为集气罩中的负压特性，以及火眼口在排气时进行下料（即氧化铝从下料机构流出后穿过火眼口进入到其下方的液体电解质中的过程），造成下料过程中一部分氧化铝被吸到集气箱中，影响电解槽下料的精准性，增大烟气中粉尘含量，甚至堵死水平烟道；同时，下料机构中的氧化铝进入火眼口内后只落进其下的液体电解质中，不能自动扩散到周围的其他液体电解质中，依靠电解质的沸腾来将此处氧化铝扩散到其他液体电解质中，容易造成氧化铝沉淀，影响电解槽稳定性和效率，甚至进入火眼口内的一部分氧化铝又从火眼口逸出，进入烟道，造成氧化铝的二次飞扬损失。

因此，本领域研究人员除了不断改进电解烟气收集和排气系统、提高氧化铝的性能外，还一直致力于优化电解质成分、提高氧化铝在电解质中的溶解度和增加电解质的紊流程度，以减少氧化铝飞扬损失和氧化铝沉淀的生成，但至今所取得的效果有限，而且增加电解质的紊流程度会影响电解槽稳定、高效地运行，为此需要提高电解槽的极距，但这又带来增加单位产品能耗的问题，所以减少氧化铝飞扬损失且减少氧化铝沉淀，以及探索氧化铝快速溶解且均匀分布在液体电解质中一直是本领域正在研究并渴望解决的技术难题，尤其是对于添加从粉煤灰提炼出来的氧化铝更为迫切，因为用粉煤灰制取的氧化铝具有体密小、粒度轻、易飞扬的特性，不能在现有铝电解槽上应用，影响资源的综合利用和环境治理。

专利CN105349786公开了：电解铝所使用的原料-氧化铝中锂含量高且难在阴极析出，使电解质中的锂含量成倍提高，使电解质溶解氧化铝的能力成倍下降，造成电解槽稳定性变差，成为铝行业的一个重大难题。

发明内容

本发明为了将下料时的料添加到电解质中且加快料的扩散和溶解，以达到避免或减少生成沉淀和飞扬损失的目的，发明一种将料添加到电解质中的装置和方法。

本发明所述的一种将料添加到电解质中的装置是采用如下技术方案实现的：一种将料添加到电解质中的装置，在电解质液面的上方设置有至少一层覆盖物，覆盖物上设置有至少一个火眼口，至少一个火眼口的上方和/或内设置有至少一个排气管，通过排气管的抽力，降低电解质液面上的空间中的气压，将所下的料添加到此空间并在电解质中和/或液面上扩散、溶解。

火眼口是指在位于电解质液面上方的覆盖物上形成一种贯通覆盖物上下的能将电解质液面与排气管和/或打壳下料机构（或下料机构）相连通的开口或通道，主要用于往电解质中添加料和/或排出电解烟气。当火眼口具有包括添加料和排出电解烟气的功能时，同一火眼口的上口不可以同时添加料和排出电解烟气，但可以交互进行。

覆盖物的形状、结构、材质、组成、尺寸、层数和数量、形成或制作方法、安放位置或方式能满足在电解质液面上方形成且保持密封的空间的要求，覆盖物包括但不限于电解质壳面、阳极、保温盖板、密封盖、复合覆盖装置、柔性耐火保温材料中的任一或任意组合。所述复合覆盖装置可采用 CN 106811771 A公开的阳极覆盖装置。

电解质壳面是指电解过程中，在电解质液面和覆盖料（如氧化铝）之间形成的一层结壳，是一种覆盖料（如氧化铝）和电解质的物理混合物。

电解质液面上的空间是指包括电解质液面和覆盖物之间所形成的空间，例如电解质液面、覆盖物之间，或电解质液面、覆盖物和侧部炉帮之间所形成的空间。

阳极可以采用但不限于铝框阳极、复合阳极、惰性阳极、预焙阳极中的任一种或任意组合。

进一步，至少一个火眼口上方和/或内设置有观察腔；当观察腔和排气管设在同一个火眼口时，观察腔和排气管相连通。观察腔主要用途包括但不限于保持火眼口畅通、出铝、熄灭阳极效应、捞炭渣、排气、下料中的任一或若干个功能，能减少或省去打开电解质壳面的操作。至少一个观察腔上设置有盖子和/或连接有至少一个排气管，以在电解质液面上的空间中形成和/或保持较低的气压。

电解过程产生的电解烟气先被收集、密封在电解质液面上的空间中，再通过覆盖物上的火眼口和/或观察腔，进入到排气管；通过外界的净化系统提供的负压，使排气管内保持负压；再通过排气管的负压使火眼口内和/或周围以及电解质液面上的空间形成和/或保持较低的气压，在排出电解烟气的同时将其他火眼口上方的料添加（添加方式包括但不限于吸入、料的重力、吸入和料的重力、其他方式）到电解质中。

进一步，在至少一个火眼口上方和/或内设置有至少一个打壳下料机构或打壳机构或下料机构。

进一步的，当打壳下料机构或打壳机构或下料机构与排气管位于同一火眼口时，该排气管上设有控制阀。

再进一步，位于同一火眼口的排气管与打壳下料机构或打壳机构或下料机构可以相通，也可以不相通。

进一步，在至少一个观察腔上方和/或内设置有至少一个打壳下料机构或打壳机构或下料机构；当打壳下料机构或打壳机构或下料机构与排气管设在同一个观察腔时，该排气管上设有控制阀。观察腔处的打壳下料机构或打壳机构或下料机构与排气管可以相通，也可以不相通。

当需要下料时，通过控制系统或人工的方式，调节位于正在下料或即将下料的火眼口上的排气管上的抽吸强度，暂停或减小上述排气管对火眼口的抽力，直至下料过程中料不在覆盖物上方飞扬，同时也可调节或保持其他火眼口上的排气管上的抽吸强度，使电解质液面上的空间保持合适的气压，促使下料时的料进入到此空间并增大在此空间的扩散范围，加快料的溶解，促进电解质中料的浓度均匀，杜绝或减少料的沉淀的生成和料的飞扬损失。

针对用于下料的火眼口/观察腔处的排气管，在下料过程中可以通过控制阀将该排气管关闭，以免将料吸入排气管中。

打壳机构包括但不限于打壳筒、传动装置、打击杆和锤头，或包括但不限于传动装置、打击杆和锤头；传动装置可以采用但不限于气缸、电机。当不影响打壳和排气时，打壳筒和排气管可以等同。

打壳下料机构包括但不限于下料筒、打壳机构。

下料机构包括但不限于下料筒、输料管、下料器。

上述料是指制取金属铝或铝合金所采用的但不限于氧化铝、冰晶石、氟化物、除铝外其他合金元素化合物中的任一或任意组合。

上述氧化铝可以采用但不限于用铝土矿、粉煤灰、其他含铝材料制取的氧化铝。

进一步，在至少一个排气管上设置有至少一个控制阀（一种控制排气量和抽力大小的装置），以调节排气管中控制阀以下区域、火眼口内和/或周围、以及电解质液面上的空间的气压大小和分布。控制阀可以采用但不限于气控阀、电磁阀、人控阀、插板中的任一或任意组合。

控制阀可以连接有动力机构，动力机构可以采用但不限于气缸、电机。动力机构还可以连接有控制系统。

通过调节控制阀的开度，就能够在排气管和/或打壳下料机构（或下料机构）与电解质液面之间维持正常运行所需要的压差。

一种将料添加到电解质中的方法，采用一种将料添加到电解质中的装置来实现；当需要通过某火眼口下料时，在下料前或下料中，调大或保持其他火眼口处的排气管抽负压的强度（或控制阀的开度），使所下的料进入到前者火眼口（即前述的某火眼口）内并在电解质中和/或液面上扩散，进而溶解；同时当某火眼口的上方和/或内设置有至少一个排气管时，将此处火眼口处的排气管抽负压的强度调小直至为零（或调小直至关闭控制阀），使所下的料进入其下的电解质中而不在覆盖物上方飞扬。

上述调节排气管抽负压的强度（或调节控制阀）的步骤先后顺序可以互换。

本发明的有益效果：

1、克服本领域一直将优化电解质成分、提高电解温度、增加电解质紊流程度、制造且使用易溶解的氧化铝作为促进氧化铝溶解和减少氧化铝沉淀的研究方向和技术手段的技术偏见，以及克服将改进和优化电解烟气收集和排气系统、增大单槽排气量作为减少氧化铝飞扬损失的研究方向和技术手段的技术偏见。

2、充分利用氧化铝粉状或粒状、能飞扬的特点，通过排气管的抽力在电解质液面上的空间以及火眼口内和/或周围形成合适、稳定的气压，促进下料时的氧化铝穿过火眼口后进入此空间且在此空间中更大范围的液体电解质中和/或表面上扩散，达到在不对电解质溶解度有严格要求的前提下，快速溶解加入的氧化铝、促进电解质（包括位于阳极底掌下部）中氧化铝浓度均匀分布、避免或大幅减小氧化铝沉淀的生成的目的；同时在下料前或下料时，调节下料处的排气管上的控制阀，使下料时的氧化铝不飞扬且快速流入到火眼口内，氧化铝也不会从下料时的火眼口逸出，实现精准下料，保持电解槽物料平衡，避免或大幅减少氧化铝进入烟气中的可能性，避免堵死烟道，解决了本领域长期存在的技术难题，创新了一种新的铝电解槽加料技术。

3、不需要复杂的集气排气系统和消耗大量能源，即使纳米级氧化铝，也能避免或大幅减少氧化铝飞扬损失，还能将现有电解槽的排烟气量减小3倍以上，同幅度提高二氧化碳浓度且可以制成干冰，有利于控制温室效应和节能；也不需要复杂昂贵的电解质成分、高的电解温度、紊流幅度大的液体电解质、价高的易溶解氧化铝，也能使从粉煤灰中提取的性能差的氧化铝快速均匀溶解在电解质中，使溶解在电解质中的氧化铝均匀分布在电解槽的各部分，包括阳极底掌下的液体电解质，避免或大幅减少氧化铝沉淀和阳极效应，提高了电解槽的稳定性和电流效率，产生了预料不到的技术效果。

4、电解过程中，电解质液面上的覆盖物容易保持完整完好且稳定，起到持续密封电解质液面的作用；电解质液面上的空间能保持密封、畅通的状态，排气管中的控制阀能精准快速持续调节电解质液面上空间的气压大小和分布。

5、排气管通过火眼口在电解质液面上的空间中形成稳定合适的气压，能将下料过程中的氧化铝顺利抽到此空间，并在此空间的液体电解质中和/或表面扩散和溶解，促使电解质中氧化铝浓度（包括阳极低掌的下部）均匀分布，避免或大幅降低阳极效应系数，以及避免或大幅降低阳极效应时所产生的全氟化合物对温室效应的影响，改变现有的主要依靠电解质紊流程度以加快氧化铝在液体电解质中扩散和溶解的方式。

6、有利于采用低温电解工艺，促进节能环保，促进复合阳极、惰性阳极的推广应用，社会效益显著。

7、本发明在使用粉煤灰制取的氧化铝过程中，避免了或大幅减少氧化铝飞扬损失和氧化铝沉淀的生成，扩大了电解质中氧化铝浓度均匀的范围，解决了粉煤灰综合利用过程中的“卡脖子”的技术问题，促进了用粉煤灰生产的氧化铝的推广应用，创新了往铝电解槽添加新品种氧化铝的新方法。

8、由于氧化铝的扩散和溶解对电解质紊流程度的要求低，可以采用带有开槽的阳极，如铝框阳极、复合阳极、铝筒阳极等，以大幅度降低液体电解质的紊流程度，在低的极距下也能持续保持电解槽的稳定性，在降低槽工作电压200mv以上的前提下，电解槽也能稳定高效运行，吨铝电耗降低600kw.h/T.Al以上。

9、解决氧化铝中锂、钾等元素在液体电解质中富集后使电解质溶解氧化铝能力变差、电解槽稳定性变差的重大行业问题，促进高锂、钾含量氧化铝的推广和应用。

10、还可以采用本发明的技术方案往铝电解槽添加冰晶石、氟化物、铝合金元素化合物中的任一或任意组合，并能达到上述有益效果。

附图说明

图1在阳极周围设置排气管的俯视结构示意图。

图2在阳极周围设置排气管的侧视结构示意图。

图3在阳极周围设置打壳下料机构和排气管的俯视结构示意图。

图4在阳极周围设置打壳下料机构和排气管的侧视结构示意图。

1-阳极，2-电解质壳面，3-排气管，4-锤头，5-槽罩，6-打壳下料机构，7-阴极，8-盖子，9-观察腔，10-火眼口，11-密封盖，12-氧化铝，13-电解质，14-侧部炉帮，15-打击杆，16-控制阀，17-打壳筒，18-下料筒。

具体实施方式

如图1，在电解质液面上方的中心区域设置有至少一个阳极，在阳极和阴极之间以及相邻阳极之间形成一层电解质壳面（电解质壳面周边也可设置柔性耐火密封材料），在阳极周围的电解质壳面上设置若干个火眼口，分别位于出铝端、烟道端，相邻阳极之间和电解槽大面。出铝端的火眼口上设置有观察腔，观察腔连接有排气管，观察腔上口设置有盖子；烟道端的火眼口上设置有排气管，排气管上方安装有打壳机构（图中未示出），打壳机构的锤头能在排气管中上下移动，排气管周围设置有槽罩；相邻阳极之间的火眼口上设置有排气管，排气管周围设置有槽罩；电解槽大面的火眼口上设置有打壳下料机构，打壳下料机构周围设置有槽罩；上述排气管连接有槽上烟管（图中未示出）。

如图2，正常生产时，在阴极内侧有侧部炉帮生成，在电解质液面上方设置有耐高温、耐腐蚀、能保温、强度好、绝缘、抗氧化的密封盖（密封盖周边也可设置柔性耐火保温材料），密封盖上设置有火眼口，火眼口内设置有观察腔，观察腔上口设置有盖子，观察腔连接有排气管，排气管在密封盖和电解质液面之间的空间内以及火眼口内和/或周围形成负压，将下料时的氧化铝吸入到此空间并在电解质中和/或液面上扩散、溶解，避免或减少氧化铝飞扬损失和沉淀生成，还能抽走被收集在电解质壳面和电解质液面之间的空间内的电解烟气。

如图3，在电解质液面上方的中心区域设置有至少一个阳极，在阳极和阴极之间以及相邻阳极之间形成一层电解质壳面，在阳极周围的电解质壳面上设置若干个火眼口，分别位于出铝端、烟道端和电解槽大面。烟道端和出铝端的火眼口上分别设置有排气管，排气管周围设置有槽罩；在电解槽大面的火眼口上方设置有打壳下料机构和排气管，打壳下料机构与排气管相连，打壳下料机构周围设置有槽罩；上述排气管上方连接有槽上烟管（图中未示出）。

如图4，在电解质液面上方形成一层电解质壳面，电解质壳面上设置有火眼口，在火眼口上方设置有打壳下料机构和排气管，排气管上设置有控制阀；打壳下料机构的打壳筒下方与排气管相连，下料筒和排气管位于打壳筒的周围，三者下方相通，打壳下料机构周围设置有槽罩，打击杆连接有锤头，并能在打壳筒内上下移动；下料筒中的氧化铝流经火眼口后在电解质中和/或液面上扩散、溶解；上述排气管上方连接有槽上烟管（图中未示出）。

当需要下料时，通过控制系统或人工的方式，调节位于正在下料或即将下料的火眼口上的排气管上的控制阀，暂停或减小排气管对火眼口的抽力，直至下料过程中氧化铝不在电解质壳面上方飞扬，同时调节或维持其他火眼口（此时不下料）的排气管上的控制阀的开度，使电解质液面和电解质壳面之间的空间保持合适的压差，促使下料时氧化铝进入到此空间并增大在此空间的扩散范围，加快氧化铝溶解，促进电解质中氧化铝浓度均匀，杜绝或减少氧化铝沉淀的生成。

排气管的数量、布置方式和位置、尺寸、结构、形状、材质、负压分布和大小，能满足快速精准地在电解质液面上的空间中以及火眼口内和/或周围形成稳定合适的气压、将料添加到电解质中、抽走烟气至槽上烟管的要求。

控制阀的种类、型号、安装方式和位置能精准快速稳定地调节排气管上的控制阀以下区域内的气压大小和分布，且能调控在合适的范围内，满足下料和排气的要求，以避免下料时的料在覆盖物上方飞扬以及促进料能快速进入并扩散到更大范围的液体电解质中和/或表面上。

观察腔尺寸、数量、形状、结构和材质与火眼口匹配，满足耐腐蚀、耐高温、密封、不影响产品质量、具有一定保温性能、能保持畅通、不被电解质堵住的要求，还能满足排气、出铝、熄灭阳极效应、捞炭渣、下料的要求。

实际运行中，火眼口/观察腔处排气管的抽吸力度[如气压（如负压或真空度）大小和分布、排气量、排气速度和温度、压差和分布等]可以根据电解槽的烟气量大小和温度、料的理化性能、下料量、下料点和排气点实际距离等边界条件预先模拟仿真计算得出，这样运行中就能够控制需要抽负压的火眼口/观察腔处的抽吸力度（或控制阀的开度）。

以上在电解质液面上的空间中形成负压的设计方案仅仅是本发明的披露的方案，但是本发明并不局限于这种情形。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。