一种降低铝电解过程中氟化物方法及装置
阅读说明：本技术 一种降低铝电解过程中氟化物方法及装置 (Method and device for reducing fluoride in aluminum electrolysis process ) 是由 朱红 后洁琼 王丽苑 李中建 于 2021-05-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及铝电解技术领域,且公开了一种降低铝电解过程中氟化物方法,包括以下步骤：步骤S1：准备电解装置；步骤S2：电解槽的上下两面施加梯度磁场,所述梯度磁场的磁感线依次穿过电解槽上表面、阳极、电解质、阴极以及电解槽的下表面；本发明还提出了一种降低铝电解过程中氟化物装置,包括电解槽和阴极母线,所述电解槽的边缘处设有绝缘侧壁,且电解槽的底部和顶部分别设有下磁体和上磁体。本发明添加梯度磁场可提高电解质的导电率,减小铝的溶解度,增加对碳渣的界面张力,抑制铝在电解质中置换钠反应,提高铝电解过程的电流效率,可有效地降低添加剂氟化镁、氟化钙、氟化锂以及氟化钠的加入量。(The invention relates to the technical field of aluminum electrolysis, and discloses a method for reducing fluoride in an aluminum electrolysis process, which comprises the following steps: step S1: preparing an electrolysis device; step S2: applying gradient magnetic fields on the upper surface and the lower surface of the electrolytic cell, wherein magnetic induction lines of the gradient magnetic fields sequentially penetrate through the upper surface of the electrolytic cell, the anode, the electrolyte, the cathode and the lower surface of the electrolytic cell; the invention also provides a device for reducing fluoride in the aluminum electrolysis process, which comprises an electrolytic cell and a cathode bus, wherein the edge of the electrolytic cell is provided with an insulating side wall, and the bottom and the top of the electrolytic cell are respectively provided with a lower magnet and an upper magnet. The gradient magnetic field is added, so that the conductivity of the electrolyte can be improved, the solubility of aluminum is reduced, the interfacial tension to carbon slag is increased, the sodium replacement reaction of aluminum in the electrolyte is inhibited, the current efficiency in the aluminum electrolysis process is improved, and the addition of additives such as magnesium fluoride, calcium fluoride, lithium fluoride and sodium fluoride can be effectively reduced.)
技术领域
本发明涉及铝电解技术领域，具体为一种降低铝电解过程中氟化物方法及装置。
背景技术
氟是动物与人体必需的微量元素之一，对人体骨骼和牙釉质的形成起着十分重要的作用，人可以从饮用水、食物和大气中摄取氟。氟污染可使农作物减产，使蔬菜枯萎死亡，耕牛、牲畜及人群慢性氟中毒，目前大型铝厂及某含氟铁矿烧结对环境污染最重，铝电解槽散发出来的氟化物有气态和固态两种形式，气态氟主要是氟化氢(HF)，其中一少部分被氧化铝粉尘吸附，固态氟主要是大颗粒的冰晶石粉尘和电解质蒸气凝结而成的细颗粒物质。进行铝电解生产金属铝的过程中主要使用的氟化盐为冰晶石以及氟化铝。通过不断补充氟化盐，包括氟化镁、氟化钙、氟化锂以及发挥调整剂作用的氟化钠，新加入的氟为12.07kg。
目前铝电解氟平衡及相关的氟化盐单耗的改进措施：
（1）确保在适当的电解温度下进行电解，在铝电解过程中确保适当的电解温度可以有效的降低氟化物的排放量。
（2）优化铝电解槽出口排烟管道技术，由于铝电解过程中的氟排放主要通过铝电解槽内衬的吸收，因此优化铝电解槽口排烟管道技术是十分必要的。
（3）减少铝电解过程中原料的含水量，在铝电解烟气中的氟化物产生的反应式可以看出，氟化盐的水解产生出氢化氟，通过减少铝电解过程中原料的含水量，可以促进氟化物的产生减少。首先，对于氟化盐原材料的采购要注意降低其含水量，其中包括对于冰晶石、氟化铝、氟化镁以及氟化钙的氟化物的原材料含水量的控制。其次，对于铝电解过程中的烟气可以对电解槽上料箱起到加热作用，通过对电解槽上料箱进行科学合理的设计，可以使原材料中的水分蒸发，从而使原材料中的含水量降低。
（4）降低残极氟的排放，在铝电解过程中通过降低残极氟的排放可以有效降低氟化物的排放。
一般而言，可以通过设置残极冷却箱或者残极冷却间对残极散发的烟气进行收集，残极冷却箱可以将残极与外界的空气有效隔绝，而残极冷却间主要是对烟气进行收集，从而促使氟化物的无组织排放有效降低。人们不得不来采取向冰晶石一氧化铝熔体中添加AlF3、MgF2、LiF，NaCl、CaF2等盐类的办法，来改善其物理化学性质借以提高电解生产的技术经济指标，但这又会引起一些环境问题，电解时一般需要加额外化学试剂，阳极消耗较高，不够节能，不能满足人们的要求。
发明内容
（一）解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种降低铝电解过程中氟化物方法及装置，主要为解决现有的电解时一般需要加额外化学试剂，阳极消耗较高，不够节能，不能满足人们的要求的问题。
（二）技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种降低铝电解过程中氟化物方法，包括以下步骤：
步骤S1：准备电解装置；
步骤S2：电解槽的上下两面施加梯度磁场，所述梯度磁场的磁感线依次穿过电解槽上表面、阳极、电解质、阴极以及电解槽的下表面，添加梯度磁场可提高电解质的导电率，减小铝的溶解度，增加对碳渣的界面张力，抑制铝在电解质中置换钠反应，提高铝电解过程的电流效率，可有效地降低添加剂氟化镁、氟化钙、氟化锂以及氟化钠的加入量。本发明可在不加额外化学试剂的前提下提高铝电解过程的电流效率，减少阳极消耗，达到节能降耗的目的。
作为本发明再进一步的方案，所述梯度磁场可由电磁场或永磁体产生，其梯度磁场为10-20T/m。
进一步的，所述梯度磁场的磁感线由阳极指向阴极。
在前述方案的基础上，所述施加在电解槽上的梯度磁场为长方形，且所述梯度磁场的尺寸在所述电解槽的水平方向上一致。
本发明再进一步的方案，所述步骤S2进一步包括：施加在电解槽上的梯度磁场保持静置状态。
进一步的，所述铝电解质体系的初晶温度为810℃～910℃，电导率为2.3～2.5/Ωcm。
本发明还提出了一种降低铝电解过程中氟化物装置，包括电解槽和阴极母线，所述电解槽的边缘处设有绝缘侧壁，且电解槽的底部和顶部分别设有下磁体和上磁体，所述电解槽的底部内壁上放置有阴极棒，电解槽的底部内壁设有铝液层，且电解槽内设有电解质，所述电解槽的上部设有保护盖，所述阴极母线的底部连接有多个陶瓷氧化物阳极，且陶瓷氧化物阳极的外部包裹有阳极保护层。
（三）有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种降低铝电解过程中氟化物方法，具备以下有益效果：
1、本发明添加梯度磁场可提高电解质的导电率，减小铝的溶解度，增加对碳渣的界面张力，抑制铝在电解质中置换钠反应，提高铝电解过程的电流效率，可有效地降低添加剂氟化镁、氟化钙、氟化锂以及氟化钠的加入量。
2、本发明向铝电解质体系中施加梯度磁场，可显著地降低铝电解质体系的初晶温度，有效地提高铝电解质体系的电导率，从而提高电流效率，降低电耗。
3、本发明可在不加额外化学试剂的前提下提高铝电解过程的电流效率，减少阳极消耗，达到节能降耗的目的。
附图说明
图1为本发明一种降低铝电解过程中氟化物装置的剖视结构示意图。
图中：1、阳极母线；2、阴极棒；3、阳极保护层；4、陶瓷氧化物阳极；5、电解质；6、铝液层；7、绝缘侧壁；8、保护盖；9、上磁体；10、下磁体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参照图1，一种降低铝电解过程中氟化物方法，包括以下步骤：
步骤S1：准备电解装置；
步骤S2：电解槽的上下两面施加梯度磁场，所述梯度磁场的磁感线依次穿过电解槽上表面、阳极、电解质、阴极以及电解槽的下表面。
需要特别说明的是，梯度磁场可由电磁场或永磁体产生，其梯度磁场为10-20T/m，梯度磁场的磁感线由阳极指向阴极，施加在电解槽上的梯度磁场为长方形，且所述梯度磁场的尺寸在所述电解槽的水平方向上一致，步骤S2进一步包括：施加在电解槽上的梯度磁场保持静置状态，铝电解质体系的初晶温度为810℃～910℃，电导率为2.3～2.5/Ωcm。
本发明还提出了一种降低铝电解过程中氟化物装置，包括电解槽和阴极母线1，电解槽的边缘处设有绝缘侧壁，且电解槽的底部和顶部分别设有下磁体10和上磁体9，电解槽的底部内壁上放置有阴极棒2，电解槽的底部内壁设有铝液层6，且电解槽内设有电解质5，电解槽的上部设有保护盖8，阴极母线1的底部连接有多个陶瓷氧化物阳极4，且陶瓷氧化物阳极4的外部包裹有阳极保护层3。
实施例2
参照图1，一种降低铝电解过程中氟化物方法，包括以下步骤：
按照Al2O31.5%～3.5%，其余为Na3AlF6的组分混合制备铝电解质体系，各原料组分均为高纯度的市售产品。对比例1采用碱法生产氧化铝应用在最优的电解质组分中进行电解，所添加的组分以及NaF与AlF3的摩尔比值为1.7。对实施例1至3中制备的铝电解质体系进行测定：取一定量铝电解质被测试样置于铂坩埚中，将坩埚放入保温效果非常良好的井式高温炉中，加热至电解质试样全部熔融并过热10℃～20℃温度，然后缓慢降温，并用铂铑热电偶测温，用电位差计自动记录降温全过程的温度时间曲线。冷却曲线的第一个拐点所对应的温度即为该电解质的初晶温度。氧化铝饱和溶解度采用旋转刚玉片法测定，即当铝电解质的熔体温度到达900℃；采用熔盐电导测定仪测试铝电解质体系的熔盐电导率。其中对比例1工艺参数为：AlF37%、Li2CO34%、CaF24%、MgF5%和Li3AlF67%、Al2O32.5%、 NaF与AlF3的摩尔比值为2.4。最终得到其初晶温度为940℃，电导率为1.6/Ω·cm。实施例1按照Al2O31.5%～3.5%，其余为Na3AlF6的组分混合制备铝电解质体系，各原料组分均为高纯度的市售产品。所添加的组分以及NaF与AlF3的摩尔比值为1.7。最终得到其初晶温度为960℃，电导率为1.4/Ω·cm。
实施例3
如图1所示，为本发明方法的一个实施例，在本实施例中，梯度磁场为5T/m按照Al2O31.5%～3.5%，其余为Na3AlF6的组分混合制备铝电解质体系，各原料组分均为高纯度的市售产品。所添加的组分以及NaF与AlF3的摩尔比值为1.7。最终得到其初晶温度为930℃，电导率为2.1/Ω·cm。
实施例4
如图1所示，为本发明方法的一个实施例，梯度磁场为15T/m按照Al2O31.5%～3.5%，其余为Na3AlF6的组分混合制备铝电解质体系，各原料组分均为高纯度的市售产品。所添加的组分以及NaF与AlF3的摩尔比值为1.7。最终得到其初晶温度为850℃，电导率为2.5/Ω·cm。按照实施例3中的工艺参数，其初晶温度较低，电导率较高，电解效果较好。将采用传统的碱法生产的氧化铝应用在最优的电解质体系配比中（即对比例1中），得到的铝电解质体系的初晶温度较高，电导率较低，说明适合于一步酸溶法生产的氧化铝电解的组分，并不适合碱法氧化铝电解，电解效果较差。本发明的铝电解质体系与现有的铝电解质体系相比，具有如下有益效果：与现行的工业铝电解质相比，本发明添加梯度磁场可提高电解质的导电率，减小铝的溶解度，增加对碳渣的界面张力，抑制铝在电解质中置换钠反应，提高铝电解过程的电流效率，可有效地降低添加剂氟化镁、氟化钙、氟化锂以及氟化钠的加入量。本发明可在不加额外化学试剂的前提下提高铝电解过程的电流效率，减少阳极消耗，达到节能降耗的目的。
在该文中的描述中，需要说明的是，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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