专利名称：一种铝电解槽余热回收系统和装置的制作方法
技术领域：
本发明属于铝电解槽结构，特别是铝电解槽外部支架及结构的技术领域，具体涉及到一种附着于铝电解槽槽壳壁外部的余热回收系统和装置。
背景技术：
金属铝在工业上是通过霍尔—埃鲁(Hall-Heroult)电解法制取的，将氧化铝溶于以冰晶石(NaF·AlF3)为主要成分的熔融电介质中进行电解，工作温度在950℃左右。随着电解铝生产技术的发展，电解槽的容量越来越大，槽体的发热量也随之增大。为了维持电解槽的热平衡，必然会增加槽壳的热负荷。现代炼铝工业中的大型铝电解槽，其工作电流已达到300～500KA，工作电压为4V，其能耗是巨大的，槽壳侧壁温度高达450℃以上。电解槽工作时，槽内熔池是处于热平衡状态，需要在电解槽侧壁内形成一个固化的电介质熔体坡面(即电解质结壳)，它可以抑制熔融冰晶石(电介质)对电解槽内衬耐火材料的侵蚀，延长铝电解槽的工作寿命。槽壳温度过高，使槽内壁的电解质不易成完整的结壳，易引发槽壁内衬的破损。同时，由于槽壳温度过高，强度降低，在应力的作用下，槽壳会发生严重变形，其内衬也会受力破损，降低了电解槽的寿命。
为了降低铝电解槽槽壳的温度，增大槽壳的散热能力，中国专利03111412.1提出了《一种加强大型铝电解槽槽壳散热能力的方法》，采用在铝电解槽槽壳外侧焊接若干个散热片的方法，加强了槽壳的散热能力。中国专利200620168327.0提出了一种《大型铝电解槽强制对流冷却装置》，采用高压空气，由风机和风管对槽壳进行冷却。虽然上述方法和装置能使铝电解槽槽壳壁散热条件得到不同程度的改善，但都未考虑到如何将铝电解槽槽壳所散发的热能加以有效地利用的问题。分析表明，铝电解槽槽壳所散发的热能占电解槽总能耗的50％，仅就电解槽侧壁摇篮架以上、罩板以下的部分而言，其热耗就占电解槽总能耗的30％，该部位的工作温度通常处在200～450℃的范围内，具有较高的利用价值，如仅仅是采取单纯的冷却方法来处理该部位的“热场”问题，实在是一种不小的浪费。
发明内容
本发明的目的是寻求一种解决铝电解槽余热回收和利用问题的方案，并相应地设计出一套铝电解槽余热回收系统和装置，以有效地将铝电解槽槽壳所散发的热能。特别是将温度“最高”的槽壳侧壁部位所散发的热能利用起来。本发明既要保证槽壳壁得到很好的冷却；又要使所散发的热能不会白白地浪费掉，做到一举两得，从而大大提高铝电解槽的经济效益。
本发明所提出的铝电解槽余热回收系统，包括热交换器、传热介质、输送泵和管路系统，其特征在于，通过热交换器和传热介质吸收和输送铝电解槽槽壳所耗散的热能，其中(1)热交换器分为高、低温两套，高温热交换器同电解槽槽壳相固定；低温热交换器同工作热机相连接；(2)传热介质由输送泵驱动通过管路系统在高、低温两套热交换器之间形成闭路循环。
本发明相应地提出了一套实施上述铝电解槽余热回收系统的余热回收装置，包括高、低温热交换器；输送泵(或风机)；调节阀和管路系统，其特征在于
(1)高温热交换器固定在电解槽罩板下方的槽壳位置，低温热交换器则固定在工作热机上；(2)高、低温热交换器通过输送泵、调节阀和管路系统构成一个闭路连通系统；(3)管路系统中充注一定数量的传热介质，管路系统与高温热交换器之间的连接部位采用法兰结构。
本发明的铝电解槽余热回收装置中的高、低温热交换器可以采用板翅式结构、螺旋管式结构或者翅片管式结构。
本发明中所采用的传热介质可以是干燥空气或者氮气；也可以是导热油或者是熔盐组合物。
本发明的板翅式热交换器是由多层用平板隔开的波翅片组成，再用端板封固，安装上进、出口管，进口管处于底部，出口管位于顶部，进、出口管同管路系统之间采用电绝缘法兰盘连接。传热介质由输送泵通过调节阀和绝缘法兰从进口管进入热交换器中，吸收电解槽侧壁所散发的热能使其温度上升，由于板翅片的表面积大而热阻小，传热效率高，当传热介质经过出口管和绝缘法兰流回管路系统时，温度可接近电解槽侧壁的温度。当槽壁温度在200-300℃时，可以采用导热油如硅油作传热介质。工作热机即需要接收传热介质所释放的热能的热机。它可以是余热锅炉、氧化铝高压溶出加热器、碳素混捏锅加热器、阳极预热架座等装置。将低温热交换器固定在这些装置上，当传热介质通过管路系统流经低温热交换器时，便将其所携带的热能释放给工作热机。低温热交换器也可以采用板翅式结构，但进口管应在上部，而出口管则应位于下部，使热交换效果更好一些。
本发明的螺旋管式热交换器是由螺纹管组成，在管子的外表面轧出螺旋形的凹槽，管内侧形成螺旋形的凸起。两端封闭，分别安有进、出管，通过电绝缘法兰同管路系统相连接。传热介质流体在管内流动时，靠近壁面的部分順槽旋转，有利于减薄流体的边界层，降低热阻，强化传热效果。同时，流体顺壁面沿轴向运动时，螺旋形的凸起也会使流体产生周期性的扰动，可以加快热量由壁面向流体主体的传递。当电解槽侧壁温度达到300～450℃时，传热介质可用熔盐组合物，如53％KNO2、40％NaNO3和7％NaNO2的混合物。这种传热介质从高温换热器出口温度达到360℃，而回路温度达240℃。其热能可供氧化铝厂的高压溶出工段使用。
本发明的翅片管式热交换器是由一系列圆形高翅片管组成，将翅片管排成若干行，固定在两个端板之间，可将翅片管置入电解槽槽壳内壁相应部位，再引出进、出口管和法兰，其传热效果更佳。此时可采用乾干燥空气或氮气作传热介质，用风机替代输送泵，将低温热交换器固定在阳极碳块支座下，可预热阳极碳块。
应该强调本发明是一种用途发明，即是将热交换技术和闭路循环技术用于铝电解槽上，达到一举两得的技术效果，既有效地解决了电解槽槽壳的散热问题；又使原本废弃无用的热量得到有效的应用。这样，很好地解决了本领域技术人员未能考虑到的问题。仅管本发明所使用的装置多数属于已有技术，但经过发明人的精心选择和巧妙组合，已取得了显著的技术进步和巨大的经济效益，应该受到专利制度的保护。
图1是铝电解槽槽壳侧壁高温热交换器的安装位置示意图。图2是本发明的热、冷交换循环系统示意图；图3、4、5分别为板翅式、螺旋管式和翅片管式热交换器的结构示意图；图6为导热油热交换系统示意图；图7为熔盐组合物热交换系统示意图；图8为气体介质热交换系统示意图。
上述各图中，1电解槽槽壳，2侧部内衬，3底部内衬，4阴极碳块，5阳极钢爪，6阳极导杆，7阳极夹具，8电解质结壳，9摇篮架、10罩板，11高温热交换器，12低温热交换器，13波翅片，14端板，15进口管，16出口管，17螺纹管，18高翅片管，19法兰，20输送泵或风机，21调节阀，22管路系统，23工作热机、24储油槽或融盐储罐、25熔盐补热炉、26膨胀槽。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明所提出的铝电解槽余热回收系统和装置作进一步的说明与补充，如图1、2所示，在铝电解槽的槽壳1侧壁罩板10下方安装高温热交换器11，热交换器通过法兰19同管路系统22相连接，管路系统中充注满传热介质，通过输送泵20将传热介质在高温热交换器中所吸收到的由铝电解槽槽壳所耗散的热能，带到低温热交换器12中，供给工作热机23使用。传热介质就这样地由输送泵驱动通过管路系统在高、低温两套热交换器之间形成闭路循环。上述高、低温热交换器同输送泵、调节阀21、管路系统组成了本发明的大型铝电解槽余热回收系统的余热回收装置。工作热机即吸收热能用以作功的机械，也就是从低温热交换器中吸收热能的装置。
由于本发明的装置和部件是已有技术或已有技术的组合，故下面对装置和部件本身在实施例中不作详细的叙述。
实施例1 碳素混捏锅加热器采用板翅式热交换器作高温热交换器，它由多层用平板隔开的波翅片13组成，再用端板14封固，安装上进、出口管15、16，进口管处于底部，出口管位于顶部，进、出口管同管路系统之间采用电绝缘法兰盘连接。传热介质由输送泵20通过调节阀21和法兰19从进口管进入热交换器11中，吸收电解槽侧壁所散发的热能使其温度上升，由于板翅片的表面积大而热阻小，传热效率高，当传热介质经过出口管和绝缘法兰流回管路系统时，温度可接近电解槽侧壁的温度。当槽壁温度在200-300℃时，可以采用导热油如硅油作传热介质。系统中需要设置储油槽24和膨胀槽26，以利于导热油的循环。导热油通过低温热交换器将热能传至碳素混捏锅加热器中，加热碳素糊料。
实施例2 氧化铝厂高压溶出工段采用螺旋管式热交换器作高温热交换器，将一根以上的管子外表面轧出螺旋形的凹槽，管内侧形成螺旋形的凸起，制成螺纹管17。再将其两端封闭，分别安上进、出口管15、16，通过法兰19同管路系统22相连接。传热介质流体在管内流动时，靠近壁面的部分順槽旋转，有利于减薄流体的边界层，降低热阻，强化传热效果。同时，流体顺壁面沿轴向运动时，螺旋形的凸起也会使流体产生周期性的扰动，可以加快热量由壁面向流体主体的传递。当电解槽侧壁温度达到300～450℃时，传热介质可用熔盐组合物，如53％KNO3、40％NaNO2和7％NaNO3的混合物。这种传热介质从高温换热器出口温度达到360℃，而回路温度达200℃。系统中另设置有熔盐储罐24和熔盐补热炉25，以防止熔盐结垢。熔盐组合物所携带的热能可供氧化铝厂的高压溶出工段使用。
实施例3 阳极碳块预热架座采用翅片管式热交换器作高温热交换器，将一系列的圆形高翅片管18排成若干行，固定在两个端板14之间，分别接上进、出口管15、16和法兰19，再连接到管路系统22、风机20、调节阀21和低温热交换器12，它安装在阳极碳块预热架底部。该系统采用干燥空气或氮气作传热介质。由于阳极碳块预热架通常位于铝电解槽端侧附近，管路系统较短，加热效果较好。用此预热架可将阳极碳块加热到400℃，更换阳极时对电解槽熔体温度影响不大，节约能源，可取得很好的效益。
还可以举出更多的实施例来，它们的共同之处在于应用热交换技术和闭路循环技术从铝电解槽槽壳处将热能收集起来并加以有效的利用，这才是本发明的技术特征和要求专利保护的范围。至于热交换器采取何种结构并不重要，只要涉及到上述发明构思都将视为侵权。
权利要求
1.一种铝电解槽余热回收系统，包括热交换器、传热介质、输送泵和管路系统，其特征在于，通过热交换器和传热介质吸收和输送铝电解槽槽壳所耗散的热能，其中(1)热交换器分为高、低温两套，高温热交换器同电解槽槽壳相连接；低温热交换器同工作热机相连接；(2)传热介质由输送泵驱动通过管路系统在高、低温两套热交换器之间形成闭路循环。
2.一种实施权利要求1所述的铝电解槽余热回收系统的余热回收装置，包括高、低温热交换器；输送泵；调节阀和管路系统，其特征在于(1)高温热交换器固定在电解槽罩板下方的槽壳位置，低温热交换器则固定在工作热机上；(2)高、低温热交换器通过输送泵、调节阀和管路系统构成一个闭路连统系统；(3)管路系统中充注一定数量的传热介质，管路系统与高温热交换器之间的连接部位采用法兰结构。
3.按权利要求2所述的铝电解槽余热回收装置，其特征在于所说的高、低温热交换器可以采用板翅式结构、螺旋管式结构或翅片管式结构。
4.按权利要求2所述的铝电解槽余热回收装置，其特征在于所说的电绝缘传热介质可以是干燥空气或者氮气；也可以是导热油或者熔盐组合物。
5.按权利要求2所述的铝电解槽余热回收装置，其特征在于所说的低温换热器可以固定在工作热机上；也可以直接用作为工作热机。
6.按权利要求3所述的铝电解槽余热回收装置，其特征在于所说的板翅式热交换器是由多层用平板隔开的波翅片组成，再用端板封固，安装上进、出口管，进口管处于底部，出口管位于顶部，进、出口管同管路系统之间采用法兰盘连接。
7.按权利要求3所述的铝电解槽余热回收装置，其特征在于所说的螺旋管式热交换器是由螺纹管组成，在管子的外表面轧出螺旋形的凹槽，管内侧形成螺旋形的凸起。两端封闭，分别安有进、出管，通过法兰同管路系统相连接。
8.按权利要求3所述的铝电解槽余热回收装置，其特征在于所说的翅片管式热交换器是两端用端板封焊的、排成若干行的圆形高翅片管组成，其端板上接有进、出口管。
全文摘要
一种铝电解槽余热回收系统，包括热交换器、传热介质、输送泵和管路系统，其特征在于，通过热交换器和传热介质吸收和输送铝电解槽槽壳所耗散的热能，其中(1)热交换器分为高、低温两套，高温热交换器同电解槽槽壳相连接；低温热交换器同工作热机相连接；(2)传热介质由输送泵驱动通过管路系统在高、低温两套热交换器之间形成闭路循环。(3)管路系统与高温热交换器之间采用法兰连接。本发明还提出了相应的余热回收装置，该装置不仅可使槽壳得到很好的冷却；而且使槽壳散发的能量得到充分利用，具有极大的经济价值。
文档编号F28F1/42GK101054688SQ200710011378
公开日2007年10月17日 申请日期2007年5月22日 优先权日2007年5月22日
发明者马成贵, 戚喜全, 王德全, 高学全, 杨青辰, 毛继红, 刘敬雄, 王兆文, 石忠宁, 高炳亮 申请人:东北大学设计研究院(有限公司), 东北大学