CN116815251B - 一种梯度保温密闭型铝电解槽 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种梯度保温密闭型铝电解槽，所述铝电解槽的中缝上部设有可供集气/集热的中间通道区，由此，铝电解槽的高温熔体及以上的区域分成了内保温区、中间通道区及外层密闭保温区等三个温度呈梯度分布的温区，使电解槽上部散出的热量尽可能多地通过烟气承载并通过烟气流量调控方式集中从中间通道区可控排出，克服了传统单一保温层难以实现对上部散发的热量及烟气进行最大程度密闭等问题，且本发明阳极炭块、阳极钢爪都被封闭在外层密闭保温区内，避免了位于外层密闭保温区的阳极碳块、钢爪、导杆等直接暴露于高温烟气中而产生腐蚀，为采用超低电压节能电解工艺，或实施面向新能源消纳的柔性运转工艺，以及实现高温烟气余热发电创造了条件。

Description

一种梯度保温密闭型铝电解槽

技术领域

本发明涉及一种梯度保温型铝电解槽，尤其涉及一种梯度保温密闭型铝电解槽，属于铝电解槽技术领域。

背景技术

铝电解槽是冶炼获取原铝的核心装备，目前原铝的生产仍然采用Hall-Heroult法，即采用冰晶石作为电解质溶解氧化铝，通过在约930℃～950℃的高温环境下进行电解还原。该方法能耗高，目前交流综合电耗约13000kWh/t-Al，同时能量利用率较低，约50%左右，大部分的能量通过热能的方式散失到周围环境中。

一般地，现行预焙铝电解槽包括槽体、集气罩、阳极提升机构、排烟除尘系统、阳极导电装置(阳极钢爪组)等部件。

现行的铝电解槽结构阳极导电结构中，沿铝电解槽长度方向，一般并列设置有两组大母线，每台铝电解槽内，在两组大母线上，左右对称设置有少则十几组，多则几十组由阳极导杆、阳极钢爪、阳极炭块组成的阳极炭块组，其阳极炭块底部与铝电解槽下部壳体内的熔盐电解质实施水平接触相连，将阳极大母线电流导入到电解质中，使阳极炭块参与热电化学反应。左右对称的两组阳极炭块的内侧面之间留有间隙，一般称为“中缝”。

由于目前电解槽上部结构设计形式比较固化，呈半开放状态，而且我国大部分电解槽的设计属于底部/侧部保温型电解槽，在散失的热量当中，约35%的热量从电解槽侧部散失，50%以上的热量从电解槽上部散失。这主要是上部漏风量较大，大部分空气从槽盖板缝隙进入到烟管当中，且电解槽上部保温性能较差导致，一台400kA电解槽的烟气量约达到了10000Nm³/h，烟气处理量很大，且烟气温度较低（200℃以下），现行铝电解槽烟气热量无较大余热回收价值。

能耗高的同时，铝电解也是一个碳排放大户，特别是由于目前广泛采用火力发电而导致的间接碳排放，要使铝电解行业低碳化发展，首先则需要提高铝电解新能源电力占比。目前，我国铝电解电力构成中70%以上为高碳排放的火力发电，因此，对于“电老虎”的铝电解工业来说，使用新能源电力比例越高，则碳排放越低，但新能源发电具有季节性、波动性等特点，电流负荷波动必定会对电解槽的热平衡带来较大冲击，如何通过散热调节实现电解槽在电流负荷波动下的动态调节是一个技术问题。

因此，现在铝电解槽在能量平衡方面面临两个重要问题，一方面是电解槽需将散失的热量有效回收，间接降低电解槽的能耗水平；另一方面，在做好余热回收的同时，需对电解槽的散热进行精准、有效地调控，进而实现电解槽电流负荷波动下的动态热平衡调节。基于现行电解槽的结构，中国发明专利说明书CN202011118864.5提出在铝电解槽侧部安装散热器，通过散热器来实现余热回收和槽帮动态调节，但是侧部散失的热量只占电解槽总散热的35%左右，侧部余热回收的量和实现电解槽柔性热调控的范围较小；此外，侧部可有效收集热量的换热面积、可有效进行余热利用的范围受到侧部结构的限制，收集的热量值更加有限，热量收集有很大的滞后性，热传导滞后性，针对昼夜负荷变化的电力供应变化有很大的局限性；同时，侧部对炉帮的大幅度调节还受到工艺上需要确保炉膛稳定、电解质成分与炉膛成分、初晶温度变化的限制，不易实现电流大幅度波动下的柔性热调控。相对侧部而言，上部的散热量较大，如何对上部散失的热量进行有效富集，并实现上部散热可控是实现铝电解槽余热回收、散热调控和低能耗发展的一个重要方向。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种梯度保温型铝电解槽，以更好地实现铝电解槽的热平衡调控。

进一步地，本发明针对现有的铝电解槽仅依靠单一内保温层难以实现对上部散发的热量进行最大程度密封，同时高温烟气对阳极炭块上部、阳极钢爪、阳极导杆等部件直接腐蚀的问题，以及上部散热结构导致的烟气排放量大、烟气温度低无法高效利用、上部热量利用率较低、上部散热可调控性差，进而可能导致的电解槽柔性运行热平衡不稳定的问题，提供一种具有新型结构、特别是上部结构的铝电解槽。通过对现行铝电解槽上部散热结构的创新型构造、对上部温度分布梯度化设置、上部散热热量高效富集，调高电解槽的上部余热回收效率、能量利用率、热平衡可调控力，进而达到铝电解槽进一步降低能耗和变电负荷下柔性运行的目的。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种梯度保温型铝电解槽，包括槽体、多个阳极炭块组和设置于槽体顶部的密封罩，所述槽体和密封罩围成集气腔；所述多个阳极炭块组分为2列，且2列阳极炭块组沿槽体的长度方向对称分布，每列阳极炭块组中阳极炭块组的数量为多个，阳极炭块组的阳极导杆向上穿过密封罩并延伸至密封罩的上方，阳极炭块组的阳极炭块的顶部覆盖有内保温层，阳极炭块伸入槽体内的电解质层内；所述密封罩的上方设有总烟管道，所述总烟管道的出口端连通有负压抽气系统；所述集气腔内设有2块沿槽体的长度方向对称分布的第一隔板，第一隔板的顶端固定于密封罩上，第一隔板的底端伸入中缝内且位于槽体内电解质层的上方，第一隔板和与之相邻的阳极炭块之间的间隙处覆盖有阳极覆盖料，第一隔板上设有若干第一通孔，由此，2块第一隔板将集气腔分为1个中间通道区和沿槽体的长度方向对称地分布于中间通道区两侧的2个外层密闭保温区（即分为沿槽体的宽度方向依次分布的外层密闭保温区、中间通道区、外层密闭保温区）；所述中间通道区与总烟管道连通。

如此，在铝电解槽的阳极炭块的中缝上部设有可供集气/集热的中间通道区，由此，内保温层、2块第一隔板将铝电解槽的高温熔体及以上的区域分成了内保温区（内保温层下方的区域）、中间通道区及外层密闭保温区等三个温度呈梯度分布的温区，使电解槽上部散出的热量尽可能多地通过烟气承载并通过烟气流量调控方式集中从中间通道区可控排出，克服了传统单一保温层难以实现对上部散发的热量及烟气进行最大程度密闭等问题，且本发明中阳极导杆向上穿过密封罩并延伸至密封罩的上方，阳极炭块、阳极钢爪都被封闭在外层密闭保温区内，电解反应产生的高温烟气基本通过中间通道区排出，避免了位于外层密闭保温区的阳极碳块、钢爪、导杆等直接暴露于高温烟气中而产生腐蚀，为采用超低电压节能电解工艺，或实施面向新能源消纳的柔性运转工艺，以及实现高温烟气余热发电创造了条件。

可选地，所述内保温层可以由现行保温料（如阳极覆盖料）构成；也可以由现行保温盖板构成。

进一步地，外层密闭保温区内设有多块沿槽体的长度方向依次分布的第二隔板，所述第二隔板与槽体的长度方向相互垂直，所述第二隔板的顶端与密封罩铰接，第二隔板的底端向下延伸至内保温层的下方且位于槽体内电解质层的上方，第二隔板和与之相邻的阳极炭块之间的间隙处覆盖有阳极覆盖料，由此，多块第二隔板将外层密闭保温区沿槽体的长度方向分为多个依次排布的子外层密闭保温区；第一隔板与各子外层密闭保温区对应的区域上分别设有第一通孔，以将各子外层密闭保温区与中间通道区连通。

如此，进电面和出电面的外层密闭保温区均设有多个第一隔板，将阳极上方空气区域分成多个子外层密闭保温区，进而将电解槽温度区域分成了由铝液、电解质熔体及内保温层下方的阳极气体空腔组成的内保温区、中间通道区构造成的高温烟气集气区、以及每个第一隔板之间形成的若干个子外层密闭保温区。

设置的第二隔板将阳极上方的外层密闭保温区有序分割成若干个子外层密闭保温区，减少各区域间烟气的无序流动，可平衡系统压力，减少换极操作过程中烟气的无组织排放。

一般地，内保温区范围处于正常高温电解温度区域，可以为现行常规电解质体系的900℃-950℃，也适用于采用低温电解的情况；中间通道区的温度处于400℃-650℃；子外层密闭保温区的温度处于250℃-400℃。

可选地，各区域的具体温度值与温度范围，可以通过对铝电解工艺技术条件、各区的保温结构、保温层厚度与保温强度、第一通孔的尺寸或开度等的综合设计来实现，并在电解槽运转过程中综合调控中间通道区的抽风量、子外层密闭保温区的第一通孔的开度及内保温层厚度及覆盖方式来调整，使各区温度达到上述目标范围，促进铝电解槽的正常运行。

进一步地，外层密闭保温区内，每隔N个阳极炭块组设置1块第二隔板，N为不小于1的整数；优选地，N为2-4。

可选地，第一隔板为钢质板材、耐火保温板材、钢质材料与耐火保温材料的复合板材中的一种。优选地，第一隔板为复合板材，其包括耐火保温层和复合在耐火保温层的内、外表面的钢质材料层，兼具良好的强度和耐火保温性能。

优选地，第一隔板的底端所在位置与槽体内残极顶部的内保温层的顶面所在位置相当。

可选地，阳极覆盖料为现有常见阳极覆盖料。

进一步地，第二隔板包括第一金属骨架层，第一金属骨架层的2个侧面均设有由内至外依次分布的第一绝热层、第二金属骨架层；所述第二隔板的顶部固定有吊环，密封罩上设有与吊环配合的销轴。如此，形成多层三明治式夹心结构，兼具良好的绝热保温和强度性能；同时，可方便地实现第二隔板的安装，且第二隔板具有一定晃动自由度，可方便换极等作业过程的顺利进行。

可选地，金属骨架层由金属板材制成。

进一步地，所述中间通道区在槽体宽度方向的断面呈漏斗状，如此，形成上部宽、下部窄的漏斗形中间通道区，可便于氧化铝下料灰分可以有效富集下落进入电解质区域，有效降低氧化铝原料浪费。

进一步地，密封罩上设有用于将中间通道区与总烟管道连通的第一烟道口。优选地，第一烟道口的数量为多个，且沿密封罩的长度方向依次分布。

优选地，所述中间通道区的顶部设有位于中间通道区和密封罩之间的顶部保温板，所述顶部保温板上设有第二烟道口，所述中间通道区、第二烟道口、第一烟道口和总烟管道依次连通，如此，可加强对中间通道区的保温，降低热量损伤。优选地，顶部保温板由导热系数低于0.1 W/(m·K)的保温材料制成。

优选地，总烟管道的出口端与负压抽气系统之间设有流量监测仪。

进一步地，所述槽体的一端设有出铝口，出铝口和与之邻近的阳极炭块组之间设有第三隔板，所述第三隔板与槽体的长度方向相互垂直，第三隔板的顶端固定在密封罩上，第三隔板的底端向下延伸至内保温层的下方且位于槽体内电解质层的上方；所述第一隔板沿槽体的长度方向延伸至第三隔板的内表面；第三隔板与槽体、密封罩围成出铝保温区，第三隔板上设有将出铝保温区和中间通道区连通的第二通孔。如此，出铝口未被封闭到中间通道区，而是放在出铝保温区中，可便于出铝操作，并避免出铝操作对铝电解槽的热平衡造成大的影响。一般的，出铝保温区可视作外层密闭保温区的一部分，其温度与外层密闭保温区相当。

进一步地，为了便于观察中间通道区内部的状态，在中间通道区远离出铝口的一端设置必要时需打开的观察孔。为了便于检修位于中间通道区中的打壳下料器或处理其他相关故障，可在第一隔板与打壳下料器对应位置设置在必要时可打开的观察/检修孔。

进一步地，所述密封罩包括固定在铝电解槽的桁架上的第一罩板和与第一罩板可拆卸连接的多块第二罩板，各阳极导杆向上穿过第二罩板并延伸至密封罩的上方，第一罩板与多块第二罩板组合形成密封罩；阳极导杆上可拆卸地设有托架，所述托架设置于第二罩板的下方。如此，可方便换极作业的顺利进行。

优选地，罩板包括第二绝热层，所述第二绝热层的内表面和外表面分别设有1层金属材质的壳层，如此，罩板具有相当好的密封和保温性能，相当于在内保温层上方设置了高度密闭和强保温的外保温层，一方面可为中间通道区提供保温作用，同时也强化铝电解槽的整体保温性能。

可选地，所述金属为铝材、钢材中的一种。

可选地，绝热层由低热导率的绝热保温材料复合而成，其中绝热保温材料优选为气凝胶、硅酸铝陶瓷纤维毡等材料中的一种或几种。

优选地，托架的顶面所在高度位置与第一罩板的底面所在高度位置相同。

优选地，第一罩板搭接在第二罩板上。

优选地，每1个阳极炭块组的上方均设置1块第二罩板。

可选地，密封罩在槽体宽度方向的断面呈梯形或倒U形。

可选地，阳极导杆上设有螺纹，托架与阳极导杆螺纹连接。

进一步地，阳极导杆和密封罩之间的间隙通过密闭环密封，所述密闭环可活动地套设在阳极导杆上。如此，既可实现对上述间隙的封堵，又不至于妨碍阳极升降时阳极导杆的上、下移动。

进一步地，第一隔板上设有用于调节第一通孔的开度的调节机构，所述调节机构包括螺纹杆、与螺纹杆配合的螺纹筒、设置于第一隔板上的驱动电机和设置于第一通孔两侧的第一隔板上的2条滑轨，2条滑轨相互平行设置，所述2条滑轨上可滑动地安装有滑板；所述驱动电机与螺纹筒传动连接，使得螺纹筒可绕其中心轴线转动；所述螺纹杆的一端伸入螺纹筒内并与螺纹筒螺纹连接，滑板上固定有固定座，螺纹杆的另一端固定在固定座上；所述螺纹杆与滑轨相互平行。如此，可通过驱动电机驱使螺纹筒转动，进而驱使螺纹杆移动，使得滑板随螺纹杆移动，从而实现对第一通孔开度的无级调节。

优选地，所述驱动电机为耐高温驱动电机。

可选地，槽体的侧面设有槽壳，密封罩与槽壳对接，进而覆盖槽壳所围成的整个上部散热区。优选地，密封罩与内保温层之间理由间隙（优选为10mm以上）。

优选地，当外层密闭保温区内的温度设置较高（如320℃-400℃）时，阳极炭块组的阳极导杆包括上、下分布的铝制第一导杆段和钢制第二导杆段，第一导杆段和第二导杆段的钢铝连接部位位于外层密闭保温区的上方，第二导杆段的下端与阳极钢爪一体连接，如此，采用钢制第二导杆段替代位于外层密闭保温区内的铝制导杆段，可以保证钢铝连接头不会因为温度过高而影响力学强度。进一步地，第二导杆段和/或阳极钢爪内嵌入有高导电材料（导电率高于钢材的材料，优选为金属材料），以降低阳极导杆、阳极钢爪的整体电阻，有利于铝电解槽超低电压、低能耗生产。

可选地，内保温层由氧化铝原料构成，此时，可尽可能通过强化外层密闭保温区的保温强度，达到尽可能降低内保温层的厚度的目的，以减少更换阳极时的扒料作业强度，甚至达到取消扒料作业的目的，为自动无人化更换阳极的实现创造条件。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）本发明通过对铝电解槽上部结构、集气结构的革新，强化保温铝电解槽上部保温措施，克服传统的单一内保温层难以实现对上部散发的热量进行最大程度密封的目的，且增强了铝电解槽的上部分散热可控性，有助于更好地实现铝电解槽的热平衡调控，有助于更为便捷地实现对铝电解槽热平衡的调控；同时可以有效降低烟气对处在低温保温区的阳极炭块、阳极钢爪、阳极导杆等部件的腐蚀。

（2）本发明铝电解槽的中缝上部采用通长型的中间集气区作为集气烟道，铝电解阳极产生有害、腐蚀性气体从槽盖板缝隙散失至周围环境的几率大大降低，与阳极炭块、阳极钢爪、阳极导杆等部件接触的可能性大幅降低，可有效降低烟气对上述部件的腐蚀作用；同时，由于烟气总量大幅降低，烟气中污染物浓度大幅提高，有利于降低烟气净化成本，并为碳捕集创造条件。

（3）本发明因增加了散热可控的热平衡控制手段，有利于实现柔性生产，消纳风力发电、太阳能发电等新能源电力。

（4）本发明的总烟管道的出口的烟气温度提升至约400℃～500℃，为余热回收创造了有利条件，可有效提高烟气的余热利用价值，例如，上述温度的烟气可较好地用于余热发电，进而提高铝电解过程的能量利用率；而传统的烟气温度较低，难以实现余热发电利用。

（5）本发明的铝电解槽的烟气排放量更低，有助于降低烟气处理压力，节约烟气处理成本。

附图说明

图1为本发明的一种梯度保温密闭型铝电解槽小面（即槽体宽度方向）的截面示意图。

图2为本发明的一种梯度保温密闭型铝电解槽大面（即槽体长度方向）的出铝端截面示意图。

图3为本发明的一种梯度保温密闭型铝电解槽大面烟道截面示意图。

图4为本发明的一种上部集气保温结构的立体结构简图。

图5为本发明的一种中间集气区沿槽体宽度方向截面结构示意图。

图6为本发明的一种第二隔板的截面结构示意图。

图7a为本发明的一种密封罩的局部截面结构示意图。、

图7b为本发明的另一种密封罩的局部截面结构示意图。

图8a为本发明的一种阳极金属组件的结构示意图。

图8b为本发明的另一种阳极金属组件的结构示意图。

图8c为本发明的另一种阳极金属组件的半剖结构示意图。

图8d为本发明的又一种阳极金属组件的结构示意图。

图9a为本发明的一种调节机构的结构示意图（第一通孔完全打开状态）。

图9b为本发明的一种调节机构的结构示意图（第一通孔部分打开状态）。

图10为本发明的一种阳极炭块组的更换状态示意图（第一罩板和第二罩板未搭接状态）。

图11为本发明的一种铝电解槽电解质及上部结构热-流耦合仿真分析流程图。

图中：1-中间集气区，2-总烟管道，3-第一通孔，4-阳极横梁母线，5-阳极金属组件，5001-阳极导杆，5002-钢铝连接部位，5003-阳极钢爪，5004-第一导杆段，5005-第二导杆段，5006-第一铜组件，5007-导杆钢爪一体化结构，5008-第二铜组件；6-密封罩，7-内保温层，8-阳极炭块（新极），9-电解质熔体，10-槽帮，11-保温内衬，12-防渗料，13-槽壳，14-底部防渗保温内衬，15-阴极钢棒，16-阴极炭块，17-铝液，18-阳极气体空腔，19-阳极炭块（残极），20-外层密闭保温区，21-密闭环，22-钢棒糊，23-第二隔板，24-出铝口，25-打壳下料器，26-观察孔，27-观察/检修孔，28-流量监测仪，29-负压抽气系统，30-第一烟道口，31-滑轨，32-滑板，3201-固定座，33-螺纹杆，34-驱动电机，35-控制单元，36-可拆卸托架，37-第三隔板，38-第二通孔；1001-顶部保温板，1002-第一隔板，1003-第二烟道口；2301-第一金属骨架层，2302-第一绝热层，2303-第二金属骨架层；6001-壳层，6002-第二绝热层；6003-第二罩板，6004-第一罩板；3401-螺纹筒。

具体实施方式

以下将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

参见图1至图5，一种梯度保温“密闭”型铝电解槽，包括槽体、设置于槽体正上方的多个阳极炭块组和设置于槽体顶部的密封罩6，所述槽体和密封罩6围成集气腔；所述多个阳极炭块组分为2列，且2列阳极炭块组沿槽体的长度方向对称分布，每列阳极炭块组中阳极炭块组的数量为多个，阳极炭块组的阳极导杆向上穿过密封罩6并延伸至密封罩6的上方，阳极炭块组的阳极炭块的顶部覆盖有内保温层7，阳极炭块伸入槽体内的电解质层9内；所述密封罩6的上方设有总烟管道2，所述总烟管道2的出口端连通有负压抽气系统29；所述集气腔内设有2块沿槽体的长度方向对称分布的第一隔板1002，第一隔板1002的顶端固定于密封罩6上，第一隔板1002的底端伸入中缝内且位于残极上部的内保温层的顶面下方、槽体内电解质层9的上方，第一隔板1002和与之相邻的阳极炭块之间的间隙处覆盖有阳极覆盖料，第一隔板1002上设有若干第一通孔3，由此，2块第一隔板1002将集气腔分为1个中间通道区1和沿槽体的长度方向对称地分布于中间通道区1两侧的2个外层密闭保温区20，各阳极炭块均处于外层密闭保温区20内；所述中间通道区1与总烟管道2连通。第一隔板由第一钢板层、绝热保温材料层和第二钢板层依次叠合而成。内保温层由氧化铝原料构成。

外层密闭保温区20内设有多块沿槽体的长度方向依次分布的第二隔板23，所述第二隔板23与槽体的长度方向相互垂直，所述第二隔板23的顶端与密封罩6铰接，第二隔板23的底端向下延伸至内保温层7的下方且位于槽体内电解质层9的上方，第二隔板23和与之相邻的阳极炭块之间的间隙处覆盖有阳极覆盖料，由此，多块第二隔板23将外层密闭保温区20沿槽体的长度方向分为多个依次排布的子外层密闭保温区；各子外层密闭保温区与中间通道区1之间的第一隔板1002上设有第一通孔3。

外层密闭保温区20内，每隔2个阳极炭块组设置1块第二隔板23。

参见图6，第二隔板23包括第一金属骨架层2301，第一金属骨架层2301的2个侧面均设有由内至外依次分布的第一绝热层2302、第二金属骨架层2303；所述第二隔板23的顶部固定有吊环2304，吊环2304与第一金属骨架层的顶端固定连接，密封罩6上设有与吊环2304配合的销轴，如此，可方便地将第二隔板以吊挂方式固定于密封罩上，并使得第二隔板具有左右晃动的自由度，可方便换极等作业。

所述中间通道区1在槽体宽度方向的断面呈上部宽、下部窄的漏斗状。

密封罩6上设有用于将中间通道区1与总烟管道2连通的第一烟道口30；所述中间通道区1的顶部设有位于中间通道区1和密封罩6之间的顶部保温板1001，所述顶部保温板1001上设有第二烟道口1003，所述中间通道区1、第二烟道口1003、第一烟道口30和总烟管道2依次连通；总烟管道2的出口端与负压抽气系统29之间设有流量监测仪28。顶部保温板1001由导热系数低于0.1 W/(m·K)的保温材料构成。

所述槽体的一端设有出铝口24，出铝口24和与之邻近的阳极炭块组之间设有第三隔板37，所述第三隔板37与槽体的长度方向相互垂直，第三隔板37的顶端固定在密封罩6上，第三隔板37的底端向下延伸至内保温层7的下方且位于槽体内电解质层9的上方；所述第一隔板1002沿槽体的长度方向延伸至第三隔板37的内表面；第三隔板37与槽体、密封罩6围成出铝保温区，第三隔板37上设有将出铝保温区和中间通道区1连通的第二通孔38。

参见图10，所述密封罩6包括固定在铝电解槽的桁架上的第一罩板6004和与第一罩板6004可搭接的多块第二罩板6003，各阳极导杆向上穿过第二罩板6003并延伸至密封罩6的上方，第一罩板6004与多块第二罩板6003组合形成密封罩6；阳极导杆上可拆卸地设有托架36，所述托架36设置于第二罩板6003的下方；如此，需要换极时，可将残极提起，此时受托架作用，相应第二罩板也会被抬起；随后，准备新的阳极炭块组，并在其阳极导杆上预先安装好托架、所需的第二罩板，再将该新的阳极炭块组提起，安装到槽体相应位置，并使得第二罩板与第一罩板搭接，即可。

罩板包括第二绝热层6002，所述第二绝热层6002的内表面和外表面分别设有1层金属材质的壳层6001；第二罩板6003搭接在第一罩板6004上；

托架36的顶面所在高度位置与第一罩板6004的底面所在高度位置相同；

每1个阳极炭块组的上方均设置1块第二罩板6003。绝热层由硅酸铝陶瓷纤维毡构成。

阳极导杆和密封罩6之间的间隙通过密闭环21密封，所述密闭环21可活动地套设在阳极导杆上。

参见图9，第一隔板1002上设有用于调节第一通孔3的开度的调节机构，所述调节机构包括螺纹杆33、与螺纹杆33配合的螺纹筒3401、设置于第一隔板1002上的驱动电机34、设置于第一通孔3两侧的第一隔板1002上的2条滑轨31和控制单元35，2条滑轨31相互平行设置，所述2条滑轨31上可滑动地安装有滑板32；所述驱动电机34与螺纹筒3401传动连接，使得螺纹筒3401可绕其中心轴线转动；所述螺纹杆33的一端伸入螺纹筒3401内并与螺纹筒3401螺纹连接，滑板32上固定有固定座3201，螺纹杆33的另一端固定在固定座3201上；所述螺纹杆33与滑轨31相互平行；所述控制单元与驱动电机电连接，以方便实现远程或自动化控制。第三隔板37上也设有上述调节机构，用于调节第二通孔38的开度。

参见图7a，密封罩在槽体宽度方向的断面呈梯形；或者，作为另一种实施方式，密封罩在槽体宽度方向的断面呈倒U形，此时，第二罩板的断面呈倒L型，具体参见图7b。

参见图8a，阳极炭块组包括阳极导杆5001、与阳极导杆的下端连接的阳极钢爪5003和固定在阳极钢爪上阳极炭块。

参见图8b，当外层密闭保温区内的温度设置较高（如320℃-400℃）时，阳极炭块组的阳极导杆包括上、下分布的铝制第一导杆段5004和钢制第二导杆段5005，第一导杆段和第二导杆段的钢铝连接部位5002位于外层密闭保温区的上方，第二导杆段5005的下端与阳极钢爪5003一体连接。参见图8c，第二导杆段内嵌入有第一铜组件5006。可选地，阳极导杆由钢材制成，阳极导杆的下端与阳极钢爪一体连接，形成导杆钢爪一体化结构5007，导杆钢爪一体化结构内嵌入有第二铜组件5008，参见图8d，如此可减少钢铝加工带来的额外工作。

为了便于观察中间集气区内部的状态，在中间集气区远离出铝口的一端的密封罩上设置观察孔26，观察孔处安装可活动的门，以便必要可打开，观察。为了便于检修位于中间集气区中的打壳下料器25或处理其他相关故障，可在中间集气区沿长度方向的侧壁上与打壳下料器对应位置设置在必要时可打开的观察/检修孔27，观察/检修孔27设置可活动的门，以便必要时可打开，方便观察、检修。

梯度保温中三个保温区的具体温度值与温度范围，可以通过对铝电解工艺技术条件、各区的保温结构、保温层厚度与保温强度、外层密闭保温区、第一通孔的开度等的综合设计来实现，并在电解槽运转过程中综合调控中间集气区的抽风量、第一通孔开度及内保温层厚度及覆盖方式来调整，使各区温度达到目标的理想范围。

应用例：

以具有上述结构的400kA级铝电解槽为例，在铝电解槽阳极中缝上部设置有通长型的中间集气区，在阳极上方设置与现行保温料相当的内保温层，在内保温层上方设置高度密闭和强保温的密封罩，密封罩一方面为中间集气区提供保温作用，同时也强化电解槽整体保温性能；进电面和出电面每两个或多个阳极组之间设有第二隔板，将阳极上方空气区域分成多个子外层密闭保温区，进而将电解槽温度区域分成了由铝液、电解质及以上区域组成的内保温区、中间通长型集气管道构造成的高温烟气集气区、以及每个空气阻隔板之间形成的若干个子外层密闭保温区；该铝电解槽若干个子外层阳极密闭保温区与高温烟气集气区之间设置有可调节大小的第一通孔，高温烟气集气区上部的密封罩上设置有多个第一烟气口，使得中间集气区连通至上部的总烟管道，总烟管道的出口段上设有流量监测仪，总烟管道的出口端与外部负压抽气系统相连接。采用如图11所示的建模仿真计算流程在ANSYS Fluent软件平台对电解槽熔体及上部结构进行热-流耦合数值模拟，各部件根据其材料属性设置密度、比热容、导热系数，边界条件：熔体区设置为定温950℃、电解槽槽壳和外层盖板表面设置对流换热系数30 W/(m²·℃)和环境温度40℃，总烟管道出口设置压力出口，外层盖板缝隙设置压力进口和环境温度40℃。通过数值模拟计算，得到铝电解槽的内保温区的平均温度为950℃，中间集气区的平均温度为约520℃，外层密闭保温区的平均温度为约275℃；总烟管道的出口端的烟气平均温度约422℃，而现行400kA铝电解槽的总烟管道的出口端的烟气温度不足200℃（参见：《轻金属》期刊，2019年第4期，论文《铝电解槽上部散热分析与研究》报道内容，DOI:10.13662/j.cnki.qjs.2019.04.006）；总烟管道的出口端的烟气出口流量4502m³/h，约为现行400kA铝电解槽烟气流量的40%，可见，本发明的烟气流量得到大幅度降低，烟气热量得到有效富集，具有余热发电的价值。针对该400kA级铝电解槽，当电流为正常强度时，总烟管道的出口端的负压值约为-500Pa，流量4502m³/h；当电流增大15%时，烟气负压设置为-552Pa，流量变为5162 m³/h，便可使电解槽熔体温度维持在947℃～950℃之间，如此，本发明的铝电解槽可在不调整其他工艺条件下实现铝电解槽柔性运行，热平衡调控过程更为简单、快捷；而现行铝电解槽需通过对极距、上部覆盖料厚度、现行烟气抽风量等工艺的调节才能使其热平衡处于一个合适的状态，调控过程复杂，难度较大。

以上实施例是对本发明的说明，并非对发明的限定，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的具体工作原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (17)

1.一种梯度保温型铝电解槽，包括槽体、多个阳极炭块组和设置于槽体顶部的密封罩（6），所述槽体和密封罩（6）围成集气腔；所述多个阳极炭块组分为2列，且2列阳极炭块组沿槽体的长度方向对称分布，每列阳极炭块组中阳极炭块组的数量为多个，阳极炭块组的阳极导杆向上穿过密封罩（6）并延伸至密封罩（6）的上方，阳极炭块组的阳极炭块的顶部覆盖有内保温层（7），阳极炭块伸入槽体内的电解质层（9）内；所述密封罩（6）的上方设有总烟管道（2），所述总烟管道（2）的出口端连通有负压抽气系统（29）；其特征在于，所述集气腔内设有2块沿槽体的长度方向对称分布的第一隔板（1002），第一隔板（1002）的顶端固定于密封罩（6）上，第一隔板（1002）的底端伸入中缝内且位于电解质层（9）的上方，第一隔板（1002）和与之相邻的阳极炭块之间的间隙处覆盖有阳极覆盖料，第一隔板（1002）上设有若干第一通孔（3），由此，2块第一隔板（1002）将集气腔分为1个中间通道区（1）和沿槽体的长度方向对称地分布于中间通道区（1）两侧的2个外层密闭保温区（20）；所述中间通道区（1）与总烟管道（2）连通；所述第一隔板（1002）为耐火保温板材或者钢质材料与耐火保温材料的复合板材；外层密闭保温区（20）内设有多块沿槽体的长度方向依次分布的第二隔板（23），所述第二隔板（23）与槽体的长度方向相互垂直，所述第二隔板（23）的顶端与密封罩（6）铰接，第二隔板（23）的底端向下延伸至内保温层（7）的下方且位于槽体内电解质层（9）的上方，第二隔板（23）和与之相邻的阳极炭块之间的间隙处覆盖有阳极覆盖料，由此，多块第二隔板（23）将外层密闭保温区（20）沿槽体的长度方向分为多个依次排布的子外层密闭保温区；第一隔板（1002）与各子外层密闭保温区对应的区域上分别设有第一通孔（3）。

2.根据权利要求1所述的梯度保温型铝电解槽，其特征在于，外层密闭保温区（20）内，每隔N个阳极炭块组设置1块第二隔板（23），N为不小于1的整数。

3.根据权利要求2所述的梯度保温型铝电解槽，其特征在于，N为2-4。

4.根据权利要求1-3任一项所述的梯度保温型铝电解槽，其特征在于，第二隔板（23）包括第一金属骨架层（2301），第一金属骨架层（2301）的2个侧面均设有由内至外依次分布的第一绝热层（2302）、第二金属骨架层（2303）。

5.根据权利要求4所述的梯度保温型铝电解槽，其特征在于，所述第二隔板（23）的顶部固定有吊环（2304），密封罩（6）上设有与吊环（2304）配合的销轴。

6.根据权利要求1-3任一项所述的梯度保温型铝电解槽，其特征在于，所述中间通道区（1）在槽体宽度方向的断面呈漏斗状。

7.根据权利要求1-3任一项所述的梯度保温型铝电解槽，其特征在于，密封罩（6）上设有用于将中间通道区（1）与总烟管道（2）连通的第一烟道口（30）。

8.根据权利要求7所述的梯度保温型铝电解槽，其特征在于，所述中间通道区（1）的顶部设有位于中间通道区（1）和密封罩（6）之间的顶部保温板（1001），所述顶部保温板（1001）上设有第二烟道口（1003），所述中间通道区（1）、第二烟道口（1003）、第一烟道口（30）和总烟管道（2）依次连通。

9.根据权利要求7所述的梯度保温型铝电解槽，其特征在于，总烟管道（2）的出口端与负压抽气系统（29）之间设有流量监测仪（28）。

10.根据权利要求1-3任一项所述的梯度保温型铝电解槽，其特征在于，所述槽体的一端设有出铝口（24），出铝口（24）和与之邻近的阳极炭块组之间设有第三隔板（37），所述第三隔板（37）与槽体的长度方向相互垂直，第三隔板（37）的顶端固定在密封罩（6）上，第三隔板（37）的底端向下延伸至内保温层（7）的下方且位于槽体内电解质层（9）的上方；所述第一隔板（1002）沿槽体的长度方向延伸至第三隔板（37）的内表面；第三隔板（37）与槽体、密封罩（6）围成出铝保温区，第三隔板（37）上设有将出铝保温区和中间通道区（1）连通的第二通孔（38）。

11.根据权利要求1-3任一项所述的梯度保温型铝电解槽，其特征在于，所述密封罩（6）包括固定在铝电解槽的桁架上的第一罩板（6004）和与第一罩板（6004）可拆卸连接的多块第二罩板（6003），各阳极导杆向上穿过第二罩板（6003）并延伸至密封罩（6）的上方，第一罩板（6004）与多块第二罩板（6003）组合形成密封罩（6）；阳极导杆上可拆卸地设有托架（36），所述托架（36）设置于第二罩板（6003）的下方。

12.根据权利要求11所述的梯度保温型铝电解槽，其特征在于，罩板包括第二绝热层（6002），所述第二绝热层（6002）的内表面和外表面分别设有1层金属材质的壳层（6001）。

13.根据权利要求11所述的梯度保温型铝电解槽，其特征在于，托架（36）的顶面所在高度位置与第一罩板（6004）的底面所在高度位置相同。

14.根据权利要求11所述的梯度保温型铝电解槽，其特征在于，第一罩板（6004）搭接在第二罩板（6003）上。

15.根据权利要求11所述的梯度保温型铝电解槽，其特征在于，每1个阳极炭块组的上方均设置1块第二罩板（6003）。

16.根据权利要求1-3任一项所述的梯度保温型铝电解槽，其特征在于，阳极导杆和密封罩（6）之间的间隙通过密闭环（21）密封，所述密闭环（21）可活动地套设在阳极导杆上。

17.根据权利要求1-3任一项所述的梯度保温型铝电解槽，其特征在于，第一隔板（1002）上设有用于调节第一通孔（3）的开度的调节机构，所述调节机构包括螺纹杆（33）、与螺纹杆（33）配合的螺纹筒（3401）、设置于第一隔板（1002）上的驱动电机（34）和设置于第一通孔（3）两侧的第一隔板（1002）上的2条滑轨（31），2条滑轨（31）相互平行设置，所述2条滑轨（31）上可滑动地安装有滑板（32）；所述驱动电机（34）与螺纹筒（3401）传动连接，使得螺纹筒（3401）可绕其中心轴线转动；所述螺纹杆（33）的一端伸入螺纹筒（3401）内并与螺纹筒（3401）螺纹连接，滑板（32）上固定有固定座（3201），螺纹杆（33）的另一端固定在固定座（3201）上；所述螺纹杆（33）与滑轨（31）相互平行。