專利名稱：一種鋁電解槽余熱回收系統(tǒng)和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋁電解槽結(jié)構(gòu)，特別是鋁電解槽外部支架及結(jié)構(gòu)的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種附著于鋁電解槽槽殼壁外部的余熱回收系統(tǒng)和裝置。
背景技術(shù)：
金屬鋁在工業(yè)上是通過(guò)霍爾—埃魯(Hall-Heroult)電解法制取的，將氧化鋁溶于以冰晶石(NaF·AlF3)為主要成分的熔融電介質(zhì)中進(jìn)行電解，工作溫度在950℃左右。隨著電解鋁生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，電解槽的容量越來(lái)越大，槽體的發(fā)熱量也隨之增大。為了維持電解槽的熱平衡，必然會(huì)增加槽殼的熱負(fù)荷。現(xiàn)代煉鋁工業(yè)中的大型鋁電解槽，其工作電流已達(dá)到300～500KA，工作電壓為4V，其能耗是巨大的，槽殼側(cè)壁溫度高達(dá)450℃以上。電解槽工作時(shí)，槽內(nèi)熔池是處于熱平衡狀態(tài)，需要在電解槽側(cè)壁內(nèi)形成一個(gè)固化的電介質(zhì)熔體坡面(即電解質(zhì)結(jié)殼)，它可以抑制熔融冰晶石(電介質(zhì))對(duì)電解槽內(nèi)襯耐火材料的侵蝕，延長(zhǎng)鋁電解槽的工作壽命。槽殼溫度過(guò)高，使槽內(nèi)壁的電解質(zhì)不易成完整的結(jié)殼，易引發(fā)槽壁內(nèi)襯的破損。同時(shí)，由于槽殼溫度過(guò)高，強(qiáng)度降低，在應(yīng)力的作用下，槽殼會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變形，其內(nèi)襯也會(huì)受力破損，降低了電解槽的壽命。
為了降低鋁電解槽槽殼的溫度，增大槽殼的散熱能力，中國(guó)專利03111412.1提出了《一種加強(qiáng)大型鋁電解槽槽殼散熱能力的方法》，采用在鋁電解槽槽殼外側(cè)焊接若干個(gè)散熱片的方法，加強(qiáng)了槽殼的散熱能力。中國(guó)專利200620168327.0提出了一種《大型鋁電解槽強(qiáng)制對(duì)流冷卻裝置》，采用高壓空氣，由風(fēng)機(jī)和風(fēng)管對(duì)槽殼進(jìn)行冷卻。雖然上述方法和裝置能使鋁電解槽槽殼壁散熱條件得到不同程度的改善，但都未考慮到如何將鋁電解槽槽殼所散發(fā)的熱能加以有效地利用的問(wèn)題。分析表明，鋁電解槽槽殼所散發(fā)的熱能占電解槽總能耗的50％，僅就電解槽側(cè)壁搖籃架以上、罩板以下的部分而言，其熱耗就占電解槽總能耗的30％，該部位的工作溫度通常處在200～450℃的范圍內(nèi)，具有較高的利用價(jià)值，如僅僅是采取單純的冷卻方法來(lái)處理該部位的“熱場(chǎng)”問(wèn)題，實(shí)在是一種不小的浪費(fèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是尋求一種解決鋁電解槽余熱回收和利用問(wèn)題的方案，并相應(yīng)地設(shè)計(jì)出一套鋁電解槽余熱回收系統(tǒng)和裝置，以有效地將鋁電解槽槽殼所散發(fā)的熱能。特別是將溫度“最高”的槽殼側(cè)壁部位所散發(fā)的熱能利用起來(lái)。本發(fā)明既要保證槽殼壁得到很好的冷卻；又要使所散發(fā)的熱能不會(huì)白白地浪費(fèi)掉，做到一舉兩得，從而大大提高鋁電解槽的經(jīng)濟(jì)效益。
本發(fā)明所提出的鋁電解槽余熱回收系統(tǒng)，包括熱交換器、傳熱介質(zhì)、輸送泵和管路系統(tǒng)，其特征在于，通過(guò)熱交換器和傳熱介質(zhì)吸收和輸送鋁電解槽槽殼所耗散的熱能，其中(1)熱交換器分為高、低溫兩套，高溫?zé)峤粨Q器同電解槽槽殼相固定；低溫?zé)峤粨Q器同工作熱機(jī)相連接；(2)傳熱介質(zhì)由輸送泵驅(qū)動(dòng)通過(guò)管路系統(tǒng)在高、低溫兩套熱交換器之間形成閉路循環(huán)。
本發(fā)明相應(yīng)地提出了一套實(shí)施上述鋁電解槽余熱回收系統(tǒng)的余熱回收裝置，包括高、低溫?zé)峤粨Q器；輸送泵(或風(fēng)機(jī))；調(diào)節(jié)閥和管路系統(tǒng)，其特征在于
(1)高溫?zé)峤粨Q器固定在電解槽罩板下方的槽殼位置，低溫?zé)峤粨Q器則固定在工作熱機(jī)上；(2)高、低溫?zé)峤粨Q器通過(guò)輸送泵、調(diào)節(jié)閥和管路系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)閉路連通系統(tǒng)；(3)管路系統(tǒng)中充注一定數(shù)量的傳熱介質(zhì)，管路系統(tǒng)與高溫?zé)峤粨Q器之間的連接部位采用法蘭結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的鋁電解槽余熱回收裝置中的高、低溫?zé)峤粨Q器可以采用板翅式結(jié)構(gòu)、螺旋管式結(jié)構(gòu)或者翅片管式結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明中所采用的傳熱介質(zhì)可以是干燥空氣或者氮?dú)?；也可以是?dǎo)熱油或者是熔鹽組合物。
本發(fā)明的板翅式熱交換器是由多層用平板隔開(kāi)的波翅片組成，再用端板封固，安裝上進(jìn)、出口管，進(jìn)口管處于底部，出口管位于頂部，進(jìn)、出口管同管路系統(tǒng)之間采用電絕緣法蘭盤連接。傳熱介質(zhì)由輸送泵通過(guò)調(diào)節(jié)閥和絕緣法蘭從進(jìn)口管進(jìn)入熱交換器中，吸收電解槽側(cè)壁所散發(fā)的熱能使其溫度上升，由于板翅片的表面積大而熱阻小，傳熱效率高，當(dāng)傳熱介質(zhì)經(jīng)過(guò)出口管和絕緣法蘭流回管路系統(tǒng)時(shí)，溫度可接近電解槽側(cè)壁的溫度。當(dāng)槽壁溫度在200-300℃時(shí)，可以采用導(dǎo)熱油如硅油作傳熱介質(zhì)。工作熱機(jī)即需要接收傳熱介質(zhì)所釋放的熱能的熱機(jī)。它可以是余熱鍋爐、氧化鋁高壓溶出加熱器、碳素混捏鍋加熱器、陽(yáng)極預(yù)熱架座等裝置。將低溫?zé)峤粨Q器固定在這些裝置上，當(dāng)傳熱介質(zhì)通過(guò)管路系統(tǒng)流經(jīng)低溫?zé)峤粨Q器時(shí)，便將其所攜帶的熱能釋放給工作熱機(jī)。低溫?zé)峤粨Q器也可以采用板翅式結(jié)構(gòu)，但進(jìn)口管應(yīng)在上部，而出口管則應(yīng)位于下部，使熱交換效果更好一些。
本發(fā)明的螺旋管式熱交換器是由螺紋管組成，在管子的外表面軋出螺旋形的凹槽，管內(nèi)側(cè)形成螺旋形的凸起。兩端封閉，分別安有進(jìn)、出管，通過(guò)電絕緣法蘭同管路系統(tǒng)相連接。傳熱介質(zhì)流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，靠近壁面的部分順槽旋轉(zhuǎn)，有利于減薄流體的邊界層，降低熱阻，強(qiáng)化傳熱效果。同時(shí)，流體順壁面沿軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)，螺旋形的凸起也會(huì)使流體產(chǎn)生周期性的擾動(dòng)，可以加快熱量由壁面向流體主體的傳遞。當(dāng)電解槽側(cè)壁溫度達(dá)到300～450℃時(shí)，傳熱介質(zhì)可用熔鹽組合物，如53％KNO2、40％NaNO3和7％NaNO2的混合物。這種傳熱介質(zhì)從高溫?fù)Q熱器出口溫度達(dá)到360℃，而回路溫度達(dá)240℃。其熱能可供氧化鋁廠的高壓溶出工段使用。
本發(fā)明的翅片管式熱交換器是由一系列圓形高翅片管組成，將翅片管排成若干行，固定在兩個(gè)端板之間，可將翅片管置入電解槽槽殼內(nèi)壁相應(yīng)部位，再引出進(jìn)、出口管和法蘭，其傳熱效果更佳。此時(shí)可采用乾干燥空氣或氮?dú)庾鱾鳠峤橘|(zhì)，用風(fēng)機(jī)替代輸送泵，將低溫?zé)峤粨Q器固定在陽(yáng)極碳?jí)K支座下，可預(yù)熱陽(yáng)極碳?jí)K。
應(yīng)該強(qiáng)調(diào)本發(fā)明是一種用途發(fā)明，即是將熱交換技術(shù)和閉路循環(huán)技術(shù)用于鋁電解槽上，達(dá)到一舉兩得的技術(shù)效果，既有效地解決了電解槽槽殼的散熱問(wèn)題；又使原本廢棄無(wú)用的熱量得到有效的應(yīng)用。這樣，很好地解決了本領(lǐng)域技術(shù)人員未能考慮到的問(wèn)題。僅管本發(fā)明所使用的裝置多數(shù)屬于已有技術(shù)，但經(jīng)過(guò)發(fā)明人的精心選擇和巧妙組合，已取得了顯著的技術(shù)進(jìn)步和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)該受到專利制度的保護(hù)。


圖1是鋁電解槽槽殼側(cè)壁高溫?zé)峤粨Q器的安裝位置示意圖。圖2是本發(fā)明的熱、冷交換循環(huán)系統(tǒng)示意圖；圖3、4、5分別為板翅式、螺旋管式和翅片管式熱交換器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為導(dǎo)熱油熱交換系統(tǒng)示意圖；圖7為熔鹽組合物熱交換系統(tǒng)示意圖；圖8為氣體介質(zhì)熱交換系統(tǒng)示意圖。
上述各圖中，1電解槽槽殼，2側(cè)部?jī)?nèi)襯，3底部?jī)?nèi)襯，4陰極碳?jí)K，5陽(yáng)極鋼爪，6陽(yáng)極導(dǎo)桿，7陽(yáng)極夾具，8電解質(zhì)結(jié)殼，9搖籃架、10罩板，11高溫?zé)峤粨Q器，12低溫?zé)峤粨Q器，13波翅片，14端板，15進(jìn)口管，16出口管，17螺紋管，18高翅片管，19法蘭，20輸送泵或風(fēng)機(jī)，21調(diào)節(jié)閥，22管路系統(tǒng)，23工作熱機(jī)、24儲(chǔ)油槽或融鹽儲(chǔ)罐、25熔鹽補(bǔ)熱爐、26膨脹槽。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明所提出的鋁電解槽余熱回收系統(tǒng)和裝置作進(jìn)一步的說(shuō)明與補(bǔ)充，如圖1、2所示，在鋁電解槽的槽殼1側(cè)壁罩板10下方安裝高溫?zé)峤粨Q器11，熱交換器通過(guò)法蘭19同管路系統(tǒng)22相連接，管路系統(tǒng)中充注滿傳熱介質(zhì)，通過(guò)輸送泵20將傳熱介質(zhì)在高溫?zé)峤粨Q器中所吸收到的由鋁電解槽槽殼所耗散的熱能，帶到低溫?zé)峤粨Q器12中，供給工作熱機(jī)23使用。傳熱介質(zhì)就這樣地由輸送泵驅(qū)動(dòng)通過(guò)管路系統(tǒng)在高、低溫兩套熱交換器之間形成閉路循環(huán)。上述高、低溫?zé)峤粨Q器同輸送泵、調(diào)節(jié)閥21、管路系統(tǒng)組成了本發(fā)明的大型鋁電解槽余熱回收系統(tǒng)的余熱回收裝置。工作熱機(jī)即吸收熱能用以作功的機(jī)械，也就是從低溫?zé)峤粨Q器中吸收熱能的裝置。
由于本發(fā)明的裝置和部件是已有技術(shù)或已有技術(shù)的組合，故下面對(duì)裝置和部件本身在實(shí)施例中不作詳細(xì)的敘述。
實(shí)施例1 碳素混捏鍋加熱器采用板翅式熱交換器作高溫?zé)峤粨Q器，它由多層用平板隔開(kāi)的波翅片13組成，再用端板14封固，安裝上進(jìn)、出口管15、16，進(jìn)口管處于底部，出口管位于頂部，進(jìn)、出口管同管路系統(tǒng)之間采用電絕緣法蘭盤連接。傳熱介質(zhì)由輸送泵20通過(guò)調(diào)節(jié)閥21和法蘭19從進(jìn)口管進(jìn)入熱交換器11中，吸收電解槽側(cè)壁所散發(fā)的熱能使其溫度上升，由于板翅片的表面積大而熱阻小，傳熱效率高，當(dāng)傳熱介質(zhì)經(jīng)過(guò)出口管和絕緣法蘭流回管路系統(tǒng)時(shí)，溫度可接近電解槽側(cè)壁的溫度。當(dāng)槽壁溫度在200-300℃時(shí)，可以采用導(dǎo)熱油如硅油作傳熱介質(zhì)。系統(tǒng)中需要設(shè)置儲(chǔ)油槽24和膨脹槽26，以利于導(dǎo)熱油的循環(huán)。導(dǎo)熱油通過(guò)低溫?zé)峤粨Q器將熱能傳至碳素混捏鍋加熱器中，加熱碳素糊料。
實(shí)施例2 氧化鋁廠高壓溶出工段采用螺旋管式熱交換器作高溫?zé)峤粨Q器，將一根以上的管子外表面軋出螺旋形的凹槽，管內(nèi)側(cè)形成螺旋形的凸起，制成螺紋管17。再將其兩端封閉，分別安上進(jìn)、出口管15、16，通過(guò)法蘭19同管路系統(tǒng)22相連接。傳熱介質(zhì)流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，靠近壁面的部分順槽旋轉(zhuǎn)，有利于減薄流體的邊界層，降低熱阻，強(qiáng)化傳熱效果。同時(shí)，流體順壁面沿軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)，螺旋形的凸起也會(huì)使流體產(chǎn)生周期性的擾動(dòng)，可以加快熱量由壁面向流體主體的傳遞。當(dāng)電解槽側(cè)壁溫度達(dá)到300～450℃時(shí)，傳熱介質(zhì)可用熔鹽組合物，如53％KNO3、40％NaNO2和7％NaNO3的混合物。這種傳熱介質(zhì)從高溫?fù)Q熱器出口溫度達(dá)到360℃，而回路溫度達(dá)200℃。系統(tǒng)中另設(shè)置有熔鹽儲(chǔ)罐24和熔鹽補(bǔ)熱爐25，以防止熔鹽結(jié)垢。熔鹽組合物所攜帶的熱能可供氧化鋁廠的高壓溶出工段使用。
實(shí)施例3 陽(yáng)極碳?jí)K預(yù)熱架座采用翅片管式熱交換器作高溫?zé)峤粨Q器，將一系列的圓形高翅片管18排成若干行，固定在兩個(gè)端板14之間，分別接上進(jìn)、出口管15、16和法蘭19，再連接到管路系統(tǒng)22、風(fēng)機(jī)20、調(diào)節(jié)閥21和低溫?zé)峤粨Q器12，它安裝在陽(yáng)極碳?jí)K預(yù)熱架底部。該系統(tǒng)采用干燥空氣或氮?dú)庾鱾鳠峤橘|(zhì)。由于陽(yáng)極碳?jí)K預(yù)熱架通常位于鋁電解槽端側(cè)附近，管路系統(tǒng)較短，加熱效果較好。用此預(yù)熱架可將陽(yáng)極碳?jí)K加熱到400℃，更換陽(yáng)極時(shí)對(duì)電解槽熔體溫度影響不大，節(jié)約能源，可取得很好的效益。
還可以舉出更多的實(shí)施例來(lái)，它們的共同之處在于應(yīng)用熱交換技術(shù)和閉路循環(huán)技術(shù)從鋁電解槽槽殼處將熱能收集起來(lái)并加以有效的利用，這才是本發(fā)明的技術(shù)特征和要求專利保護(hù)的范圍。至于熱交換器采取何種結(jié)構(gòu)并不重要，只要涉及到上述發(fā)明構(gòu)思都將視為侵權(quán)。
權(quán)利要求
1.一種鋁電解槽余熱回收系統(tǒng)，包括熱交換器、傳熱介質(zhì)、輸送泵和管路系統(tǒng)，其特征在于，通過(guò)熱交換器和傳熱介質(zhì)吸收和輸送鋁電解槽槽殼所耗散的熱能，其中(1)熱交換器分為高、低溫兩套，高溫?zé)峤粨Q器同電解槽槽殼相連接；低溫?zé)峤粨Q器同工作熱機(jī)相連接；(2)傳熱介質(zhì)由輸送泵驅(qū)動(dòng)通過(guò)管路系統(tǒng)在高、低溫兩套熱交換器之間形成閉路循環(huán)。
2.一種實(shí)施權(quán)利要求1所述的鋁電解槽余熱回收系統(tǒng)的余熱回收裝置，包括高、低溫?zé)峤粨Q器；輸送泵；調(diào)節(jié)閥和管路系統(tǒng)，其特征在于(1)高溫?zé)峤粨Q器固定在電解槽罩板下方的槽殼位置，低溫?zé)峤粨Q器則固定在工作熱機(jī)上；(2)高、低溫?zé)峤粨Q器通過(guò)輸送泵、調(diào)節(jié)閥和管路系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)閉路連統(tǒng)系統(tǒng)；(3)管路系統(tǒng)中充注一定數(shù)量的傳熱介質(zhì)，管路系統(tǒng)與高溫?zé)峤粨Q器之間的連接部位采用法蘭結(jié)構(gòu)。
3.按權(quán)利要求2所述的鋁電解槽余熱回收裝置，其特征在于所說(shuō)的高、低溫?zé)峤粨Q器可以采用板翅式結(jié)構(gòu)、螺旋管式結(jié)構(gòu)或翅片管式結(jié)構(gòu)。
4.按權(quán)利要求2所述的鋁電解槽余熱回收裝置，其特征在于所說(shuō)的電絕緣傳熱介質(zhì)可以是干燥空氣或者氮?dú)?；也可以是?dǎo)熱油或者熔鹽組合物。
5.按權(quán)利要求2所述的鋁電解槽余熱回收裝置，其特征在于所說(shuō)的低溫?fù)Q熱器可以固定在工作熱機(jī)上；也可以直接用作為工作熱機(jī)。
6.按權(quán)利要求3所述的鋁電解槽余熱回收裝置，其特征在于所說(shuō)的板翅式熱交換器是由多層用平板隔開(kāi)的波翅片組成，再用端板封固，安裝上進(jìn)、出口管，進(jìn)口管處于底部，出口管位于頂部，進(jìn)、出口管同管路系統(tǒng)之間采用法蘭盤連接。
7.按權(quán)利要求3所述的鋁電解槽余熱回收裝置，其特征在于所說(shuō)的螺旋管式熱交換器是由螺紋管組成，在管子的外表面軋出螺旋形的凹槽，管內(nèi)側(cè)形成螺旋形的凸起。兩端封閉，分別安有進(jìn)、出管，通過(guò)法蘭同管路系統(tǒng)相連接。
8.按權(quán)利要求3所述的鋁電解槽余熱回收裝置，其特征在于所說(shuō)的翅片管式熱交換器是兩端用端板封焊的、排成若干行的圓形高翅片管組成，其端板上接有進(jìn)、出口管。
全文摘要
一種鋁電解槽余熱回收系統(tǒng)，包括熱交換器、傳熱介質(zhì)、輸送泵和管路系統(tǒng)，其特征在于，通過(guò)熱交換器和傳熱介質(zhì)吸收和輸送鋁電解槽槽殼所耗散的熱能，其中(1)熱交換器分為高、低溫兩套，高溫?zé)峤粨Q器同電解槽槽殼相連接；低溫?zé)峤粨Q器同工作熱機(jī)相連接；(2)傳熱介質(zhì)由輸送泵驅(qū)動(dòng)通過(guò)管路系統(tǒng)在高、低溫兩套熱交換器之間形成閉路循環(huán)。(3)管路系統(tǒng)與高溫?zé)峤粨Q器之間采用法蘭連接。本發(fā)明還提出了相應(yīng)的余熱回收裝置，該裝置不僅可使槽殼得到很好的冷卻；而且使槽殼散發(fā)的能量得到充分利用，具有極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
文檔編號(hào)F28F1/42GK101054688SQ200710011378
公開(kāi)日2007年10月17日 申請(qǐng)日期2007年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月22日
發(fā)明者馬成貴, 戚喜全, 王德全, 高學(xué)全, 楊青辰, 毛繼紅, 劉敬雄, 王兆文, 石忠寧, 高炳亮 申請(qǐng)人:東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院(有限公司), 東北大學(xué)