热交换系统、铝电解槽系统及热平衡的控制方法

本发明涉及用于铝电解槽侧部的热交换系统、铝电解槽系统及热平衡的控制方法，属于铝电解。

背景技术：

1、如何满足我们未来日益增长的能源需求是我们这个时代全球讨论最多的话题之一。如果未来的发电主要来自可再生能源，取代化石燃料，那么我们必须从根本上改变我们的能源利用方式。铝是当今世界上最重要的金属之一，现在是仅次于钢铁的全球第二大使用金属，而铝电解过程是高耗能产业，因此也从仅仅是电力的最终用户转变为了电网的“虚拟电池”。

2、近年来，新能源发展迅速，累计装机总容量位居世界之首，但新能源发电具有波动性、季节性、随机性等性质。目前的冶炼厂在能源使用和生产方面无法灵活，这是因为需要将铝电解过程保持在非常窄的“热平衡”温度范围内。当电流增加时，槽内温度偏高，需要快速地散热，防止电解槽过热或故障；当电流降低时，需及时采取保温措施，防止它冷却和凝固(最坏的情况下会导致金属生产完全损失；恢复全面生产的成本非常高，需要几周甚至几个月的时间)。因此，铝电解在充当柔性负载时不仅要适应新能源发电的间歇性增加，还需要维持其自身的热平衡状态。

3、而铝电解槽的自调能力是有限的，只通过槽帮的凝固融化使其再次达到热平衡状态的过程是缓慢的，不能及时地带走热量或减少散热。因此，我们需要在此基础上提供合理的保温及散热措施，能够快速地散热或保温，防止槽帮因过热/过冷而融化/凝固，维持铝电解槽的热平衡正常运行。

4、目前，提出的关于铝电解槽柔性运转措施大都集中在侧部槽帮对应位置，且主要集中在散热方面。一方面铝电解槽所消纳新能源电的增加和减少是同概率出现的，因此铝电解槽柔性运转时的保温与散热都很重要。另一方面只通过侧部槽帮正对槽壳位置的散热措施效率不高，当槽过冷时，槽底沉淀增加会导致槽底压降增高，降低电流利用率及阴极的使用寿命。

5、中国发明专利申请说明书cn105274569a公开了一种铝电解槽强制通风结构，包括槽壳、摇篮架和槽沿板，槽壳、摇篮架和槽沿板组成箱体，通过箱体内气体的强制流动，带走侧部多余的热量，但是电解槽槽帮与阴极导电金属棒对应位置的导热系数是不同的，设置成一个大的区域进行散热，不利于槽帮内形的合理性控制；还可能导致送风机能耗偏高，增大运行成本。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供用于铝电解槽侧部的热交换系统，以更高效地维持铝电解槽的热平衡；本发明的目的之二在于提供一种铝电解槽系统；本发明的目的之三在于提供一种铝电解槽系统的热平衡的控制方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

3、用于铝电解槽侧部的热交换系统，包括若干热交换单元，所述热交换单元包括上、下分布的第一热交换器和第二热交换器；

4、所述第一热交换器包括固定于铝电解槽的槽壳上的第一罩体、第一风机、与第一罩体连通的第一进气口和与第一罩体连通的第一出气口；所述第一风机的出气口与第一进气口连通，或者，所述第一风机的进气口与第一出气口连通；第一罩体朝向槽体的一侧开口，第一罩体与槽壳围成第一腔体；

5、所述第二热交换器包括固定于铝电解槽的槽壳上的第二罩体、第二风机、与第二罩体连通的第二进气口和与第二罩体连通的第二出气口；所述第二风机的出气口与第二进气口连通，或者，所述第二风机的进气口与第二出气口连通；第二罩体朝向槽壳的一侧开口，第二罩体与槽壳围成第二腔体，第二罩体远离槽壳的一面开设有供铝电解槽的阴极导电金属棒伸出的窗口，所述窗口与阴极导电金属棒之间绝缘密封。

6、如此，阴极导电金属棒附近的槽壳及上方的槽壳分别设有第二热交换器和第一热交换器，且分别配备有独立的风机、进气口和出气口，故可根据槽壳不同部位的散热或保温需要的不同，分别调控第二风机和第一风机的转速，进而实现相关区域温度的快速、精准调控，避免局部区域出现温度过高或过低的情况，在实现铝电解槽热平衡的同时，保证铝电解槽内槽帮内型规整；而且，由于是分区调控风机转速，第一风机和第二风机以合适功率运行即可，有助于降低风机电耗，进而降低运行成本。

7、进一步地，第一进气口位于第一出气口的下方；第二进气口位于第二出气口的下方。可选地，腔体的内底部设有与进气口连通的中间进气型气刀，以使得气流垂直向上通过热交换器。

8、进一步地，第一出气口与槽壳之间的距离大于第一进气口与槽壳之间的距离，第二出气口与槽壳之间的距离大于第二进气口与槽壳之间的距离；优选地，所述第一罩体呈倒置的“l”型，所述第二罩体呈倒置的“l”型，申请人研究发现，采用倒置的“l”型罩体，可在腔体的出口附近形成涡流，同时使得气流在腔体内有更长的停留缓冲时间，有助于提高散热均匀性和散热效率。

9、进一步地，阴极导电金属棒位于第二腔体内的区段上设有多个散热翅片，所述多个散热翅片沿阴极导电金属棒的长度方向依次分布，且各散热翅片与第二罩体之间留有间隙。如此，可进一步有效提高阴极导电金属棒与第二腔体内空气之间的换热效率，而且各散热翅片与第二罩体之间留有间隙，可保证阴极导电金属棒与第二热交换器之间绝缘，避免对铝电解槽的正常运行造成不良影响。

10、可选地，散热翅片上设有凹坑、凸胞、波纹中的一种或几种，以进一步加强热交换效果。

11、优选地，散热翅片的材质为金属材质，进一步可选为钢铁、铝合金、纯铜、铜合金中的一种或几种。

12、进一步地，第一罩体所对应的槽壳上设有散热机构；优选地，所述散热机构为铺设在槽壳上的散热板片，散热板片上设有凸胞、直翅片、横翅片中的一种或几种。如此，可增大换热面积及湍流程度，提升换热效果。优选地，散热板片的横向高度占第一腔体的横向高度的1/5-1/2，以将空气流动阻力控制在合理范围内。

13、进一步地，同一热交换单元的第一热交换器和第二热交换器相互邻接设置。

14、进一步地，罩体上设有绝热层；优选地，所述绝热层由纳米气凝胶、矿棉、玻璃纤维中的一种或几种制成。如此，可有效提高第一热交换器和第二热交换器分别与外界环境之间的绝热性，更有助于提高通过风机转速来调控铝电解槽侧部热平衡的精准性，满足保温、散热等多方面需要。可选地，绝热层的厚度为2-12cm，进一步为5-10cm。

15、纳米气凝胶的导热系数较低，价格合理，可以与其他材料结合使用。优选地，绝热层覆盖罩体的外表面。可选地，纳米气凝胶为硅系、碳系、硫系、金属氧化物系、金属系气凝胶中的一种或几种；优选地，纳米气凝胶为掺杂二氧化钛的二氧化硅气凝胶。

16、可选地，罩体由金属材料制成，进一步可选为钢铁、铝合金、纯铜、铜合金中的一种或几种。

17、进一步地，第一热交换器所覆盖的槽壳区域的外表面设有第一温度传感器，第一出气口设有第二温度传感器；第二腔体内设有用于测量阴极导电金属棒位于第二腔体内的区段的外表面的温度的第三温度传感器，第一出气口设有第四温度传感器。

18、可选地，第三温度传感器为接触式温度传感器或非接触式温度传感器。优选地，当第三温度传感器为接触式温度传感器时，第三温度传感器固定于阴极导电金属棒的表面，且第三温度传感器与阴极导电金属棒之间设有绝缘导热材料层，以实现两者之间的电绝缘，又不影响温度的监测。

19、进一步地，第一进气口上连通有第一进气管，第一出气口上连通有第一出气管；第二进气口上连通有第二进气管，第二出气口上连通有第二出气管。

20、优选地，还包括总出气管，所述第一出气管和第二出气管均与总出气管连通。

21、可选地，阴极导电金属棒为钢棒、纯铜棒、钢棒夹铜、铜合金棒中的一种。

22、基于同一发明构思，本发明还提供一种铝电解槽系统，所述铝电解槽系统包括铝电解槽和槽控机，所述铝电解槽的侧部设有如上所述的热交换系统，所述热交换单元设置于铝电解槽的2个相邻的摇篮架之间，第一风机和第二风机分别与槽控机电连接。

23、优选地，每2个相邻的摇篮架之间均设有1个热交换单元。

24、可选地，所述窗口与阴极导电金属棒之间通过绝缘层绝缘密封。可选地，所述绝缘层由氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷中的一种或几种构成。

25、可选地，各温度传感器分别与槽控机电连接。如此，第一温度传感器、第三温度传感器将监测到的温度数据传输给槽控机，槽控机可以计算出铝电解槽的侧部区域的散热量；第二温度传感器、第四温度传感器将监测到的温度数据传输给槽控机，槽控机可根据可控制热平衡判据(散热量＝换热量)，计算得出热交换器所需的换热系数，并进一步经过分析计算后，向第一风机、第二风机发出运转信号，以合适的转速运行，控制第一热交换器和第二热交换器的进气流量，调节换热量大小，以维持热平衡。

26、基于同一发明构思，本发明还提供一种铝电解槽系统的热平衡的控制方法，同一热交换单元的第一热交换器和第二热交换器相互邻接设置，且第一热交换器和第二热交换器的邻接位置位于铝电解槽内铝液与阴极炭块交界面所在高度位置；包括如下步骤：

27、按式(1)计算第一热交换器所对应的侧部区域的散热量qs：

28、

29、可选地，通过槽控机计算散热量qs；

30、按式(2)计算第一热交换器与槽壳之间的换热量qh1：

31、

32、可选地，通过槽控机计算换热量qh1；

33、按式(3)计算h1：

34、

35、可选地，通过槽控机计算h1；

36、按式(4)计算第二热交换器所对应的侧部区域的散热量qc：

37、

38、可选地，通过槽控机计算散热量qc；

39、按式(5)计算第二热交换器与槽壳之间的换热量qh2：

40、

41、可选地，通过槽控机计算换热量qh2；

42、按式(6)计算h1：

43、

44、可选地，通过槽控机计算h1；

45、控制第一风机的角速度ω1，使得qs＝qh1；

46、控制第二风机的角速度ω2，使得qc＝qh2；

47、可选地，通过槽控机控制角速度ω1、角速度ω2；

48、其中，tn为铝电解槽内电解质熔体的初晶温度(可视作为常数)；tc为第一热交换器所覆盖的槽壳的外表面的温度(可实时测量获得)；

49、bcb为铝电解槽内电解质熔体与铝液的交界面对应位置的槽帮厚度(可视作常数)；bnc为铝电解槽内电解质熔体与铝液的交界面对应位置的侧部内衬的厚度(可视作常数)；

50、λcb为槽帮的导热系数(可视作常数)；λnc为侧部内衬的导热系数(常数)；

51、h1为第一热交换器所述覆盖的槽壳向空气的有效传热系数，w·m-2·k-1；a1为第一热交换器所覆盖的槽壳区域的总面积，m2；δtm1为第一热交换器中进、出口气体的对数平均温度差，k(可根据进口气体的温度[即铝电解槽所处环境的空气温度]和出口气体的温度计算获得)；

52、td为铝电解槽内铝液、槽帮及阴极炭块交界处的温度(一般即电解质的初晶温度)，k；tj为阴极导电金属棒伸出至铝电解槽的槽壳外的区段的表面温度，k(可实时测量获得)；

53、bc为阴极炭块的厚度，m(常数)；bh为阴极导电金属棒糊的厚度，m(常数)；bj为阴极导电金属棒在竖直方向的厚度，m(常数)；lj为阴极导电金属棒位于铝液、槽帮及阴极炭块的交界处的外侧的长度，m(常数)；

54、λc为阴极炭块的导热系数，w·m-1·k-1(常数)；λh为阴极导电金属棒糊的导热系数，w·m-1·k-1(常数)；λj为阴极导电金属棒的导热系数，w·m-1·k-1(常数)；

55、h2为第二热交换器所应的阴极导电金属棒及槽壳向空气的综合有效传系数，w·m-2·k-1；a2为第二热交换器所覆盖的槽壳区域的总面积，m2(常数)；δtm2为第二热交换器中进、出口气体的对数平均温度差，k(可根据进口气体的温度[即铝电解槽所处环境的空气温度]和出口气体的温度计算获得)；

56、de1为第一热交换器的当量直径，m(常数)；ω1为第一风机的角速度，rad·s-1；r1为第一风机的风轮的最大旋转半径，m(常数)；α1为第一风机的风轮的叶尖速比，rad(常数，由风机型号决定)；

57、de2为第二热交换器的当量直径，m(常数)；ω2为第二风机的角速度，rad·s-1；r2为第二风机的风轮的最大旋转半径，m(常数)；α2为第二风机的风轮的叶尖速比，rad(常数，由风机型号决定)；

58、ρ为铝电解槽所在环境下的空气密度(一般即铝电解槽所在厂房内的环境下的相关参数，下同)，kg·m-3；μ为铝电解槽所在环境下的空气粘度，kg·m-1·s-1；cp为铝电解槽所在环境下的空气比热容，j·kg-1·k-1。

59、如此，根据热平衡判据qs＝qh1、qc＝qh2，分别调整第一风机和第二风机的转速，及时调整第一热交换器和第二热交换器的换热量，对铝电解槽进行及时保温或散热，实现铝电解槽热平衡的控制。

60、可将实现上述控制方法的程序编写入槽控机，通过槽控机控制实现铝电解槽的侧部区域的散热量与热交换系统之间的换热量之间的平衡，进而实现铝电解槽内热平衡的可控。

61、通过槽控机建立起铝电解槽内热平衡与侧部的热交换系统的有效换热量之间的联系，实现铝电解槽热平衡的内外调节可控，进而实现铝电解槽的柔性运转。

62、当铝电解槽内电流在一定范围内(例如±20％)发生波动时，例如电流增加或减小时，可通过本发明的热交换系统协同调节，以帮助维持电解槽的热平衡，维持铝电解槽的柔性运转。故通过安装本发明的热交换系统，铝电解槽可较好地适应新能源发电的波动性，维持自身的热平衡状态。

63、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

64、(1)本发明的热交换系统可实现铝电解槽侧部区域温度的快速、精准调控，避免局部区域出现温度过高或过低的情况，在促进铝电解槽热平衡的同时，维持铝电解槽内槽帮内型规整，有助于铝电解槽顺利消纳波动性较大的新能源电力，实现柔性运转。

65、(2)本发明的热交换系统通过分区调控风机转速，第一风机和第二风机以合适功率运行即可，有助于降低风机电耗，进而降低运行成本。

66、(3)本发明的热交换系统可实现对铝电解槽侧部散热量的控制。利用本发明的热交换系统，以控制风量为手段，实现对侧部的热平衡的调节、控制。

67、(4)本发明通过将铝电解槽的侧部换热量与铝电解槽的侧部散热量关联起来，可实现电解槽热平衡的内外调节可控。

68、(5)本发明的热交换系统的结构简单，不需要对铝电解槽做大幅修改，在现有铝电解槽的侧部槽壳上安装本发明的热交换系统即可，简单、方便，可以设置有热交换系统的铝电解槽侧部作为一个热平衡的调节器，克服现有铝电解槽采用单一的自然散热或保温的状态的不足。

69、(6)本发明中铝电解槽的阴极导电金属棒的表面设有散热翅片，配合罩在上面的第二热交换器，有助

70、于实现铝电解槽底侧部的快速高效散热。

71、(7)本发明在铝电解槽侧部设置上、下分布的第一热交换器和第二热交换器，第一热交换器用于槽帮对应位置的散热、保温，第二热交换器用于槽底散热、保温，两热交换器分别配有独立的风机，进而根据散热分布情况控制不同的气体流量，两者协同作用，高效维持电解槽热平衡，有助于实现铝电解槽的柔性运转。

72、(8)一般的，铝电解槽的侧部内衬材料导热性良好，且铝电解槽的槽体内侧有炉帮，对铝电解槽内的物料平衡和热平衡都发挥着至关重要的作用；另外，铝电解槽的顶部烟气流量不好控制，且较难在已有结构基础上做可控结构的设计。本发明的热交换系统安装于铝电解槽的侧部，能够通过外部可控调节铝电解槽内热平衡，进行可控结构的设计、安装的可行性强。