专利名称：铝电解槽废热利用装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铝电解槽废热利用装置。
背景技术：
我国电解生产金属铝过程，大多采用预焙阳极铝电解技术，电解温度为950℃左右，铝电解槽的平均电能利用率为48％左右，铝电解槽侧壁温度约300℃，槽底温度约90℃，槽上部排气管道约150℃的温度，有一半以上的能量以废热的形式散发到环境中，造成巨大的能源浪费，且对环境造成热污染。而且由于废热利用对电解槽本身的温度场分布和维持电解生产过程的能量平衡会造成复杂的影响，甚至会使得电解过程不能正常进行，因此，到目前为止尚无对铝电解槽废热的利用的相关报道。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题是提供一种铝电解槽废热利用装置，该装置在维持电解槽热平衡的基础上利用废热产生电能，即首先满足铝电解工艺过程对铝电解槽内热平衡的要求，其次再利用其散发的废热进行转化。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为 一种铝电解槽废热利用装置，其特征在于，包括热电模块、可控制热能输出的冷却装置、以及电池或负载，该热电模块的高温端紧贴固定在电解槽外壁，低温端接冷却装置，所述的热电模块的电压引出端接电池或负载；所述的冷却装置包括与热电模块低温端相接触的金属管，所述的金属管内循环通入导热介质。
所述的导热介质为阻燃绝缘油或水。通过调节导热流体流量控制铝电解槽的热能输出。该冷却装置还包括一固定在铝电解槽外壁的温度传感器；一用于调节导热介质流量的调节阀；一控制器，该控制器的输入端连接所述温度传感器的输出端，该控制器的输出端连接所述的调节阀的控制端。由上述的温度传感器、调节阀、充有导热介质的金属管组成铝电解槽外壁温度的自动控制系统。
该控制器采用PID、模糊控制或神经网络控制策略，或者上述多种控制策略的组合，上述控制策略根据电解槽的大小、槽型以及工艺条件确定。
作为改进，所述的热电模块为多个，以串联或并联或串联及并联相结合的方式相互连接。
根据铝电解槽温度分布的具体情况，安装于电解槽侧部的热电模块的高温端工作温度优选为200～500℃，安装于电解槽底部的热电模块的高温端工作温度优选为50～150℃。
热电模块高温端与低温端优选维持60～100℃的温度差。
作为改进，所述的热电模块和电池或负载之间串联有稳流装置或稳流装置。
本发明所具有的有益效果有 本发明通过对电解槽废热的利用，能降低铝电解过程的能源消耗，能提高铝电解能量利用率0.5～5％，由于电解铝是高耗能过程，因此能降低能源消耗，其意义尤为重大。现有的一些废热利用并没有考虑到铝电解槽的正常工作状态下热平衡的要求，且废热利用过程中，会对电解槽产生复杂的影响，很可能使正常的生产过程无法进行。本发明充分考虑了铝电解槽工作温度，热平衡条件的要求，将热电模块和冷却装置巧妙地结合，引入了铝电解槽热平衡控制系统，有利于电解槽电解温度的控制，尤其是侧部，底部温度的控制，从而控制炉帮的厚度，形成规整的炉膛内型，有效提高铝电解槽的使用寿命，在利用热能产生电能的过程不会对原有的铝电解过程产生任何不良影响。
图1为本发明的总体结构框图； 图2为热电单元示意图；(1-导热陶瓷，2-导电铜片组成) 图3为热电模块示意图；(3-热电单元) 图4为本发明的实施例的具体结构图(4-热电模块，5-金属管，6-温度传感器，7-铝电解槽)； 图5为本发明的实施例的冷却装置的自动控制示意图；
具体实施例方式 以下结合附图对本发明作进一步说明。以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
本发明的总体结构框图如图1所示，该装置包括热电模块、冷却装置、稳压或稳流装置以及电池或负载；热电模块的低温端(即冷端)连接冷却装置，热电模块高温端(即热端)固定在铝电解槽外壁上，热电模块将热能转化为电能且其电压引出端通过所述的稳压或稳流装置向电池或负载输出电能。
热电模块的工作原理每块热电模块(热电材料)如图3所示，由几十至几百个热电单元3组成，热电单元如图2所示，其中上下两端各设有导热陶瓷1以及导电铜片2，每个热电单元由一个p型半导体和一个n型半导体组成，冷端(图2的上端)接低温区，热端(图2的下端)接高温区，冷端p型半导体和n型半导体通过导体连接，热端接外电路，当热端与冷端存在温差时，则热端的p、n半导体外接引线向外输出电能，输出电压与温差成正比。由于单个热电模块输出电压较低，需要通过串联提高其输出电压。所使用的热电模块由厦门纳米克热电电子有限公司生产，型号为TEP1-12656-0.6，或采用河南安阳市以太科技中心生产的产品，型号为TECI-03180T125。
我国目前采用的铝电解槽多为预焙阳极铝电解槽，由于电解槽阳极，电解质，阴极等都存在电阻，在电解过程中，大电流通过时产生巨大的热量，采用下部保温，上部抽风散热的方式，维持整个电解槽的热平衡，其正常电解温度为950℃左右，槽底温度为70～110℃，槽侧部为200～400℃，与环境有较大的温差。
应用高温端工作温度为400℃左右的温差发电模块，采用粘接或螺丝固定于电解槽侧部，高温端工作温度为100℃左右的温差发电模块以同样的方式固定于电解槽底部。热电模块之间的间距为0.5～3cm，以泡沫水泥等绝热材料填充。
热电模块低端温度可调，低温端以两种冷却装置来冷却，维持一定的温度 (1)采用耐压耐腐蚀的金属管5，管内通入阻燃绝缘油或水等导热介质，导热介质循环使用。
在电解槽外表面与热电模块4的高温端之间固定一温度传感器6，应用自动温度控制装置，通过改变导热介质流量的方式，维持电解槽温度的稳定。如果温度传感器6信号显示电解槽温度升高，则根据测定值与设定值的差值，基于确定的PID控制规律，通过自动控制电路控制自动调节阀，增加其阀门开度，增加传热介质的流量，提高热量的散发量，维持电解槽表面温度在一定范围内(即控制铝电解槽侧壁的温度为200～400℃，控制铝电解槽槽底的温度为70～110℃)，满足铝电解的正常温度要求。
采用的热电模块为40*40*4～60*60*9mm3，当热端与冷端维持60～100℃的温度差时，热电模块的输出电压为4～6V，电流为3～5A。
热电模块串联提高其输出电压到额定要求，并联方式达到所需直流电电流范围。
如果将热电模块的输出电流用于240kA电解槽，则采用1000个热电模块并联，通过现有的铝电解槽稳流装置向电解槽提供稳定直流电。
另一种输出电能方式是将输出电压经市售交直流逆变电路进行升压或降压，获得稳定的输出电压，储存于Ni-H二次电池或其它二次电池。
热电模块发出的电压为 V＝S*(T高-T低) 其中，*为乘法号，S为热电模块的转换系数(即Seebeck系数)，T高和T低分别为热电模块高温端、低温端的温度。
电解槽通过热电模块散发热量为 Q放＝c*m*(T高-T低) 其中，c为介质的比热，m为流过的导热介质的质量，从上式可知，调节流过的导热介质的流量，即可调节散出的热量，从而维持电解槽温度在所控制的范围。
实施例1 针对一台240kA预焙阳极铝电解槽 槽侧部面积+槽底部面积为2.11*106mm2，每片热电发电模块40*40*4mm3，当热端与冷端维持60～100℃的温度差时，热电模块的输出电压为4～6V，电流为3～5A。
以平均利用槽底槽侧面积的70％，安装2.11*106*70％/1600＝9.23*102(片)，应用高温端工作温度为400℃左右的温差发电模块(即热电模块)，采用粘接或螺丝固定于电解槽侧部，高温端工作温度为100℃左右的温差发电模块(热电模块)以同样的方式固定于电解槽底部。热电模块之间的间距为0.5～3cm，以泡沫水泥等绝热材料填充。
热电模块低端温度可调，低温端以下列方式冷却，控制铝电解槽的散热量 采用耐压耐腐蚀的金属管，管内通入阻燃绝缘油或水等导热介质，导热介质循环使用。
热电模块与铝电解槽的安装位置关系如图4所示，热电模块4之间的间距为2cm，以泡沫水泥等绝热材料填充，热电模块的正电端、负电端分别以铜或铝为母线并联连接。分别连接于铝电解槽7稳流装置的正负接电端。热电模块的低温端，与导热管5紧密接触，导热管采用螺丝固定于槽壳。
在电解槽外表面侧部、底部热电模块的间隙处分别安装温度传感器6，应用自动温度控制装置，通过改变导热介质流量的方式，维持电解槽温度的稳定。如果温度传感器信号显示电解槽温度升高，则通过自动控制电路(控制器)控制调节阀，增加其阀门开度，增加金属管内导热介质的流量，增加热量的散发量，维持电解槽表面温度在一定范围内(即控制铝电解槽侧壁的温度为200～400℃，控制铝电解槽侧壁的温度为70～110℃)，从而满足铝电解的正常温度要求。其自动控制示意图如图5所示。
权利要求
1、一种铝电解槽废热利用装置，其特征在于，包括热电模块、可控制热能输出的冷却装置以及电池或负载，该热电模块的高温端紧贴固定在电解槽外壁，低温端接冷却装置，所述的热电模块的电压引出端接电池或负载；所述的冷却装置包括与热电模块低温端相接触的金属管，金属管内循环通入导热介质。
2、如权利要求1所述的铝电解槽废热利用装置，其特征在于，所述的导热介质为阻燃绝缘油或水。
3、如权利要求1所述的铝电解槽废热利用装置，其特征在于，所述的冷却装置还包括一固定在铝电解槽外壁的温度传感器；一用于调节导热介质流量的调节阀；一控制器，该控制器的输入端连接所述温度传感器的输出端，该控制器的输出端连接所述调节阀的控制端。
4、如权利要求3所述的铝电解槽废热利用装置，其特征在于，控制器为PID控制器、模糊控制器或神经网络控制器，或者综合PID控制策略、模糊控制策略和神经网络控制策略的控制器。
5、如权利要求1所述的铝电解槽废热利用装置，其特征在于，所述的热电模块为多个，以串联或并联或串联及并联相结合的方式相互连接。
6、如权利要求1所述的铝电解槽废热利用装置，其特征在于，电解槽侧部的热电模块的高温端工作温度为200～500℃，电解槽底部的热电模块的高温端工作温度为50～150℃。
7、如权利要求1所述的铝电解槽废热利用装置，其特征在于，热电模块高温端与低温端维持60～100℃的温度差。
8、如权利要求1～7任一项所述的铝电解槽废热利用装置，其特征在于，所述的热电模块和电池或负载之间串联有稳流装置或稳流装置。
全文摘要
本发明公开了一种铝电解槽废热利用装置，其特征在于，包括热电模块和冷却装置以及电池或负载，该热电模块的高温端紧贴固定在电解槽外壁，低温端接冷却装置，所述的热电模块的电压引出端接电池或负载；所述的热电模块为多个，以串联、并联或串联及并联相结合的方式相互连接。该铝电解槽废热利用装置能降低铝电解过程的能源消耗，提高铝电解能量利用率0.5～5％，且本发明由于引入了铝电解槽热平衡控制系统，在利用热能产生电能的过程中不会影响原有的铝电解生产过程。
文档编号G05D23/19GK101610048SQ20081003150
公开日2009年12月23日 申请日期2008年6月16日 优先权日2008年6月16日
发明者肖忠良, 刘宪锋, 汪奕醒, 忠 曹, 湛雪辉 申请人:湖南晟通科技集团有限公司