熱交換器和金屬生產(chǎn)系統(tǒng)和方法
【專利摘要】一種熱交換器（10）包括用于相對于待冷卻的主體輸送冷卻流體的管道（12）。熱傳遞裝置（62）布置成與管道（12）的內(nèi)部連通，熱傳遞裝置（62）和管道（12）一起限定組件，所述組件鄰近待冷卻的主體可安裝，在使用中，由于冷卻流體相對于主體和相對于組件的熱傳遞裝置（62）的運(yùn)動，發(fā)生對流熱交換，并且在主體和組件的熱傳遞裝置（62）的至少一部分之間發(fā)生輻射熱交換。
【專利說明】熱交換器和金屬生產(chǎn)系統(tǒng)和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及熱交換器。本發(fā)明特別地、但不是必須排他地涉及在金屬冶煉廠的烙 爐的冷卻中使用的熱交換器。將容易領(lǐng)會熱交換器也可W在大范圍的其它應(yīng)用中使用。

【背景技術(shù)】
[0002] 在金屬冶煉廠中并且特別地在鉛冶煉廠中，冶煉廠包括多個電解槽或烙爐，它們 每個具有殼體，電解質(zhì)和烙融金屬容納在所述殼體中。鉛由電解過程生產(chǎn)并且電解質(zhì)的溫 度可W達(dá)到大約lOOOC的溫度。該導(dǎo)致每個電解槽的殼體上的相當(dāng)高的溫度。所W必須減 小該些殼體的溫度W保護(hù)殼體免于腐蝕和災(zāi)難性故障。
[0003] 在過去，該通過將冷卻流體、例如空氣在已變得過熱的位置引導(dǎo)到殼體上而實(shí)現(xiàn)。 該需要很大量的壓縮空氣、非常低效并且為操作者帶來噪聲和粉塵危險。而且，空氣只能W 該方式應(yīng)用于烙爐殼體的過熱局部部分。大部分烙爐的殼體溫度沒有被該手段冷卻并且沒 有產(chǎn)生冶煉廠總體效益。
[0004] 在另一發(fā)展（Bos等人的美國專利第6, 251，237號）中，已提出作為每個殼體的一 體部分的永久管道裝置。該不僅必須有復(fù)雜的管道系統(tǒng)，而且也需要某種形式的流體的強(qiáng) 制驅(qū)動。
[0005] 另外，為了修改冶煉廠W冷卻它們，在某些情況下可能必須首先停止每個烙爐。該 在經(jīng)濟(jì)上是不利的，原因是冶煉廠的任何停工時間具有不利的經(jīng)濟(jì)后果。更重要地，當(dāng)烙爐 停機(jī)停止任何相當(dāng)長的時間時，電解質(zhì)凝固，導(dǎo)致必須執(zhí)行大起動工序W便重新啟動烙爐。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種熱交換器，其包括：
[0007] 管道，用于相對于將冷卻的主體輸送冷卻流體；W及
[0008] 與管道的內(nèi)部連通的熱傳遞裝置，熱傳遞裝置和管道一起限定組件，所述組件能 夠鄰近待冷卻的主體安裝，在使用中，由于冷卻流體相對于主體和相對于組件的熱傳遞裝 置的運(yùn)動，發(fā)生對流熱交換，并且在主體和組件的熱傳遞裝置的至少一部分之間發(fā)生福射 熱交換。
[0009] 優(yōu)選地，組件W部段形成，所述部段可W與形成通道的管道成端對端關(guān)系布置，冷 卻流體由于類煙道效應(yīng)而流動通過所述通道。在該布置的情況下，不需要熱交換器的移動 部分并且由于溫度差和通過組件的流體流動而發(fā)生熱交換。至少熱傳遞裝置具有吸熱材料 并且可W是黑導(dǎo)管。"黑導(dǎo)管"被理解為具有高吸熱特性、低福射熱反射特性并且可W是金 屬的導(dǎo)管。為了增強(qiáng)組件的吸熱能力，金屬導(dǎo)管可W涂覆有吸熱涂層，例如黑色、吸熱涂料。
[0010] 為了進(jìn)一步促進(jìn)管道中的流體和管道自身的主體之間的熱交換，管道的可操作內(nèi) 部區(qū)域可W包含熱交換元件。熱交換元件可W呈熱傳遞介質(zhì)的形式W實(shí)現(xiàn)管道和管道內(nèi)的 冷卻流體之間的增加對流熱交換。
[0011] 通過管道的流體流動的控制可W借助于布置在管道中的控制元件實(shí)現(xiàn)。例如，熱 交換器可w包括布置在管道中用于控制通過管道的流體的流動的一個或多個阻尼器。
[0012] 在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，熱傳遞裝置可W包括布置在管道的外表面上的多個翅 片。相鄰翅片之間的空間可W用作福射熱收集部W幫助主體和組件之間的福射熱傳遞。翅 片可W水平地布置并且豎直地間隔。替代地，翅片可W豎直地布置并且水平地間隔，在使用 中，在兩種情況下提供增加的表面積W實(shí)現(xiàn)主體、冷卻流體和組件之間的對流熱交換。
[0013] 在冶煉廠中，電力通過母線提供給冶煉廠。在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，熱交換器可 W包括在使用中可操作地布置在組件之下W用于將冷卻流體偏轉(zhuǎn)到與待冷卻的主體接觸 的偏轉(zhuǎn)器。偏轉(zhuǎn)器可W呈安裝在母線上的V形（當(dāng)觀察端部時)偏轉(zhuǎn)板的形式。偏轉(zhuǎn)板可W 用于將流體偏轉(zhuǎn)到與主體的壁接觸。流體的對流加熱促進(jìn)流體沿著主體的側(cè)面流動到與組 件接觸?？卓蒞在翅片的中間限定于管道的壁中，使得由主體對流加熱的流體被吸引到管 道的內(nèi)部W容納在其中。
[0014] 為了便于組件相對于待冷卻的主體放置就位，組件的每個部段可W安裝在親上， 所述親又支撐在偏轉(zhuǎn)板上。
[0015] 熱交換器可W包括可操作地布置在管道之上W用于抑制經(jīng)加熱的空氣的逸出或 旁路通過的流體收集元件。流體收集元件可W包括安裝在組件之上的罩或蓋板上，所述罩 或蓋板也遮蓋組件W免粉塵泄漏，否則可能污染熱交換器。
[0016] 管道可W朝著它的下游端向外漸縮W促進(jìn)類煙道效應(yīng)并且將冷卻流體的均勻流 動牽引到管道的每個部段中。管道的下游端連接到熱交換器容納在其中的烙爐或結(jié)構(gòu)的流 體提取裝置。例如，在鉛冶煉廠的情況下，導(dǎo)管的下游端可W連接到冶煉廠的排氣風(fēng)扇W提 供通過管道的流體的助力、自然對流流動。與W另外方式從純自然煙道效應(yīng)獲得的流動相 比，在管道中流動的流體然后可W W更大的流動對流地冷卻管道。
[0017] 在冶煉廠的某些設(shè)計中，相鄰電解槽或烙爐之間的空間由于多個立管而被限制， 所述立管用于將流動帶入管線中的后續(xù)電解槽或烙爐中。在熱交換器中，根據(jù)本發(fā)明的第 一實(shí)施例的變型，為了在該樣的冶煉廠中使用，管道可W定位在布置在烙爐的母線之上的 底板格柵的水平處或代替底板格柵。
[0018] 如果需要，吸熱附件安裝到管道、安裝在管道的下側(cè)上或安裝在底板格柵中。附件 可W采用呈透鏡的形式的福射熱捕捉元件的形式。透鏡可W將來自烙爐的壁的福射熱"聚 焦巧Ij管道上W幫助從壁到管道的福射熱傳遞。替代地，附件可W呈一個或多個豎直板的形 式W用于增加到達(dá)然后流動到管道中的空氣的對流熱流動。
[0019] 在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，熱傳遞裝置可W包括由歧管連接到管道的多個間隔導(dǎo) 管，導(dǎo)管沿著每個歧管W間隔間距布置。
[0020] 每個導(dǎo)管可W呈大致溝道狀部段的形式，在使用中鄰近主體的壁定位W形成冷卻 流體可W穿過的通道。每個導(dǎo)管的入口成形為減小與冷卻流體進(jìn)入導(dǎo)管中關(guān)聯(lián)的壓降。此 夕F，導(dǎo)管可W經(jīng)由出口連接到歧管。每個導(dǎo)管可W限定副出口 W當(dāng)不存在輔助流動時允許 一些冷卻流體逸出到大氣W提供自然對流流動。
[0021] 替代地，每個導(dǎo)管可W呈鄰近待冷卻的主體的壁布置的管的形式。每個管可W在 橫截面上為大體矩形，具有高深寬比。管的"寬度"可W是平行于歧管的縱軸線的管的尺寸， 并且管的"深度"可W是垂直于歧管的縱軸線的管的尺寸。因此，管的高深寬比表示管的寬 度顯著小于管的深度。該樣，相鄰管之間的空間可W用作熱福射收集部W幫助福射熱傳遞。
[0022] 鄰近主體的每個管的一部分可W限定至少一個孔，W由于減小的熱邊界層而增強(qiáng) 管和主體之間的熱傳遞?？卓蒞是平行于管的縱軸線延伸的槽，槽被限定為在使用中槽的 鄰近于主體的壁的較短壁中。
[0023] 在本發(fā)明的該實(shí)施例中，熱交換器可W包括防護(hù)元件，W用于防護(hù)待冷卻的主體 位于其中的結(jié)構(gòu)的那些部分免于來自主體的福射熱傳遞，所述那些部分布置在防護(hù)元件的 與主體相對的側(cè)面。防護(hù)元件可W呈防護(hù)板的形式，其與主體的壁一起限定溝道，冷卻流體 可W穿過所述溝道W幫助從主體的壁到布置在溝道內(nèi)的熱傳遞裝置的那些部分的自然對 流熱傳遞。
[0024] 每個導(dǎo)管的上升部分可W布置在溝道中使得通過福射和通過對流發(fā)生從主體到 管的熱傳遞。由于排氣風(fēng)扇的使用，在熱交換器內(nèi)產(chǎn)生低壓區(qū)域W導(dǎo)致熱交換器中的流體 流動。因此可W由于通過熱交換器的輔助流體流動而實(shí)現(xiàn)熱交換器中的流體之間的對流熱 傳遞。
[00巧]在該實(shí)施例的一種形式中，每個導(dǎo)管可W具有經(jīng)由導(dǎo)管的帶曲柄下游區(qū)域進(jìn)入其 歧管的豎直部段。冷卻流體可W進(jìn)入豎直部段W被引導(dǎo)到歧管中從而實(shí)現(xiàn)對流熱傳遞。
[0026] 在該實(shí)施例的另一形式中，每個導(dǎo)管可W具有通向布置在防護(hù)板和主體之間的豎 直部分的水平上游部分。管的豎直和水平部分之間的過渡部分可W引起流體擾動W抑制熱 和流體動力邊界層的積累W增強(qiáng)熱傳遞。每個管的豎直部分的長度可W較短，W進(jìn)一步抑 制熱和流體動力邊界層的積累。
[0027] 此外，熱傳遞裝置的每個部段可W包括多個單元，每個單元包括具有其關(guān)聯(lián)導(dǎo)管 的歧管，歧管豎直地堆疊，并且上單元的導(dǎo)管與提供面對主體的壁的導(dǎo)管的豎直部分的短 長度的下單元的導(dǎo)管交錯W增強(qiáng)熱傳遞。
[0028] 每個導(dǎo)管的內(nèi)部可W承載表面增加部件W增強(qiáng)對流熱傳遞率和福射熱傳遞率中 的至少一個。部件可W選自由翅片、潤流引發(fā)元件和前述的組合組成的群組。替代地或附 加地，部件可W包括有孔元件，例如多孔介質(zhì)。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種熱交換器，其包括將鄰近待冷卻的主體放置的 至少一個導(dǎo)管，由于主體和至少一個導(dǎo)管之間的福射熱傳遞和由于到達(dá)從主體并且從至少 一個導(dǎo)管吸收熱的流體的對流熱傳遞而發(fā)生主體和至少一個導(dǎo)管之間的熱交換。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明的第H方面，提供一種冷卻主體的方法，其包括：
[0031] 鄰近主體安裝熱交換器組件的熱傳遞裝置使得發(fā)生主體和熱傳遞裝置的至少一 部分之間的福射熱交換，組件包括吸熱材料的管道；W及
[0032] 引導(dǎo)冷卻流體經(jīng)過主體、與熱傳遞裝置接觸并且進(jìn)入管道中使得發(fā)生流體、主體 和熱傳遞裝置之間的對流熱交換。
[0033] 方法可W包括幫助通過熱傳遞裝置和管道的流體的對流流動。因此，方法可W包 括通過在管道的通道中產(chǎn)生低壓區(qū)域、例如通過將通道的下游端連接到熱交換器安裝在其 中的裝置的排氣風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)幫助。
[0034] 該可W包括W部段形成熱交換器組件并且與形成通道的管道成端對端關(guān)系布置 部段，流體由于類煙道效應(yīng)而流動通過所述通道。
[00巧]此外，方法可W包括通過使流體越過包含在管道中的熱交換元件而實(shí)現(xiàn)管道和管 道中的流體之間的增加對流熱交換。
[0036] 另外，方法可W包括借助于布置在管道中的控制元件控制通過管道的流體流動。
[0037] 在第一實(shí)施例中，熱交換裝置可W包括布置在管道的外表面上的多個翅片并且方 法可W包括使流體通過相鄰翅片之間的空間，空間用作福射熱收集器W幫助主體和組件之 間的福射熱傳遞。
[0038] 方法可W包括將組件安裝在待冷卻的多個主體之間并且將流體偏轉(zhuǎn)到與主體的 壁接觸并且通過在翅片的中間限定于管道的壁中的孔將流體吸引到管道的內(nèi)部。
[0039] 方法也可W包括將流體收集元件可操作地布置在管道之上W用于抑制經(jīng)加熱的 空氣的逸出或旁路通過。
[0040] 更進(jìn)一步地，方法可W包括將管道的下游端連接到流體提取裝置。
[0041] 在該實(shí)施例的變型中，方法可W包括鄰近主體包含在其中的結(jié)構(gòu)的底板定位管 道。方法可W包括將吸熱附件安裝到管道。
[0042] 在第二實(shí)施例中，方法可W包括沿著主體W間隔間距、鄰近主體的壁安裝熱傳遞 裝置的多個導(dǎo)管，并且通過至少一個歧管將多個導(dǎo)管連接到管道。此外，方法可W包括成形 每個導(dǎo)管的入口 W減小與冷卻流體進(jìn)入導(dǎo)管關(guān)聯(lián)的壓降。另外，方法可W包括將導(dǎo)管的出 口連接到歧管。而且，方法可W包括當(dāng)不存在輔助流動時通過允許一些冷卻流體通過限定 于每個導(dǎo)管中的副出口逸出到大氣而提供自然對流流動。
[0043] 方法可W包括通過使流體穿過限定于管的壁中的孔增強(qiáng)呈管的形式的導(dǎo)管和主 體之間的熱傳遞。
[0044] 方法可W包括相對于主體的壁W間隔關(guān)系安裝防護(hù)元件W用于防護(hù)待冷卻的主 體位于其中的結(jié)構(gòu)的那些部分免于來自主體的福射熱傳遞，所述那些部分布置在與主體相 對的防護(hù)元件的側(cè)。然后，方法可W包括使流體穿過限定于防護(hù)元件和主體的壁之間的溝 道W幫助從主體的壁到布置在溝道內(nèi)的熱傳遞裝置的那些部分的自然對流熱傳遞。
[0045] 方法可W包括將溝道中的每個導(dǎo)管的上升部分布置成使得通過福射和通過對流 發(fā)生從主體到導(dǎo)管的熱傳遞。由于排氣風(fēng)扇的使用，在熱交換器內(nèi)產(chǎn)生低壓區(qū)域W導(dǎo)致熱 交換器中的流體流動。所W熱交換器中的流體之間的對流熱傳遞可W由于通過熱交換器的 輔助流體流動而實(shí)現(xiàn)。
[0046] 方法可W包括通過使流體越過布置在導(dǎo)管的內(nèi)部中的表面增加部件增強(qiáng)對流熱 傳遞率和福射熱傳遞率中的至少一個。
[0047] 在另一方面中本發(fā)明可W廣義地被說成包括一種金屬冶煉系統(tǒng)，其包括：
[0048] 烙爐，在所述烙爐中在高溫下通過電解還原過程生產(chǎn)金屬，
[0049] 根據(jù)前述方面中的任何一項(xiàng)的鄰近烙爐的烙爐熱交換器；W及
[0050] 控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)布置成同時控制熱交換器和電解還原過程的電流和/或 功率輸入，包括在熱交換器的絕熱模式下至少減小冷卻流體的流動并且將電流和/或功率 輸入減小到相對最小值。
[0051] 優(yōu)選地，控制系統(tǒng)布置成在熱交換器的絕熱模式下終止冷卻流體的流動。
[0052] 優(yōu)選地，控制系統(tǒng)布置成在W下模式之間同時控制熱交換器和電解還原過程的電 流和/或功率輸入：
[005引?最大模式，其中熱交換器W較高或最大冷卻操作，W及
[0054] ?所述絕熱模式，其中鄰近烙爐的熱交換器用作絕熱體W減小從烙爐的熱消散。
[0055] 優(yōu)選地，控制系統(tǒng)布置成也在最大模式和絕熱模式之間的中間和/或最小模式下 操作熱交換器和電解還原過程的電流和/或功率輸入，其中熱交換器W中間或最小冷卻操 作并且電流和/或功率輸入處于中間和/或最小水平。
[0056] 優(yōu)選地，控制系統(tǒng)布置成同時動態(tài)地調(diào)節(jié)熱交換器和電解還原過程的電流和/或 功率輸入。
[0057] 優(yōu)選地控制系統(tǒng)還布置成：
[0058] 接收指示金屬的價格、生產(chǎn)金屬所需的電力的成本和能量動力學(xué)中的一項(xiàng)或多項(xiàng) 的組合的輸入數(shù)據(jù)，
[0059] 響應(yīng)輸入數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)與電解還原過程或熱交換器關(guān)聯(lián)的一個或多個控制設(shè)置，W及
[0060] 根據(jù)經(jīng)調(diào)節(jié)的控制設(shè)置操作熱交換器和電解還原過程。
[0061] 優(yōu)選地，控制系統(tǒng)配置成：
[0062] 當(dāng)接收到的輸入數(shù)據(jù)指示較低金屬價格、較高電力價格和/或較高能量需求中的 一項(xiàng)或多項(xiàng)的任何組合時在絕熱模式下減小電解還原過程的電流和/或功率輸入并且操 作熱交換器，和/或
[0063] 當(dāng)接收到的輸入數(shù)據(jù)指示較高金屬價格、較低電力價格和/或較低能量需求中的 一項(xiàng)或多項(xiàng)的任何組合時在最大模式下增加電解還原過程的電流和/或功率輸入并且操 作熱交換器。
[0064] 廣義地，在另一方面本發(fā)明包括一種金屬冶煉系統(tǒng)，其包括：
[0065] 電解槽或電解槽系列，在所述電解槽或電解槽系列中在高溫下通過電解還原過程 生產(chǎn)金屬，
[0066] 冷卻系統(tǒng)，所述冷卻系統(tǒng)布置成將冷卻流體輸送到電解槽或電解槽系列；W及
[0067] 控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)布置成同時控制冷卻系統(tǒng)和電解還原過程的電流和/或 功率輸入，包括在冷卻系統(tǒng)的絕熱模式下至少減小冷卻流體的流動并且將電流和/或功率 輸入減小到相對最小值。
[0068] 在至少一些實(shí)施例中控制系統(tǒng)布置成在冷卻系統(tǒng)的絕熱模式下終止冷卻流體的 流動。
[0069] 在至少一些實(shí)施例中本發(fā)明也包括調(diào)節(jié)電解槽化學(xué)性質(zhì)和輸入進(jìn)料速率。
[0070] 在至少優(yōu)選實(shí)施例中控制系統(tǒng)布置成在W下模式之間同時控制冷卻系統(tǒng)和電解 還原過程的電功率輸入：
[0071] ?最大模式，其中冷卻系統(tǒng)W較高或最大冷卻操作，W及
[0072] ?所述絕熱模式，其中鄰近電解槽系列的冷卻系統(tǒng)用作絕熱體W減小從電解槽系 列的熱消散。
[0073] 例如在絕熱模式下冷卻系統(tǒng)中的具有較低流率的空氣或靜止空氣可W用作絕熱 體。
[0074] 優(yōu)選地控制系統(tǒng)布置成也在最大模式和絕熱模式之間的中間和/或最小模式下 操作冷卻系統(tǒng)和電解還原過程的電流和/或功率輸入，其中冷卻系統(tǒng)W中間或最小冷卻操 作并且電流和/或功率輸入處于中間和/或最小水平。
[0075] 優(yōu)選地控制系統(tǒng)布置成同時動態(tài)地調(diào)節(jié)熱交換器和電解還原過程的電流和/或 功率輸入。
[0076] 在優(yōu)選實(shí)施例中，控制系統(tǒng)還布置成：
[0077] 接收指示金屬的價格、生產(chǎn)金屬所需的電力的成本和能量動力學(xué)性能中的一項(xiàng)或 多項(xiàng)的組合的輸入數(shù)據(jù)，
[0078] 響應(yīng)輸入數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)與電解還原過程或冷卻系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的一個或多個控制設(shè)置，W及
[0079] 根據(jù)經(jīng)調(diào)節(jié)的控制設(shè)置操作冷卻系統(tǒng)和電解還原過程。
[0080] 優(yōu)選地控制設(shè)置包括電解還原過程的電流和/或功率輸入設(shè)置。
[0081] 優(yōu)選地控制系統(tǒng)還布置成在電解還原過程的操作期間根據(jù)經(jīng)調(diào)節(jié)的電功率輸入 設(shè)置將多余輸入電力釋放到電網(wǎng)。
[0082] 優(yōu)選地控制設(shè)置包括冷卻系統(tǒng)的操作模式和/或流率設(shè)置。
[0083] 優(yōu)選地控制設(shè)置還包括與電解還原過程關(guān)聯(lián)的浴槽化學(xué)性質(zhì)設(shè)置。
[0084] 控制設(shè)置還可W包括與電解還原過程關(guān)聯(lián)的電極分離設(shè)置。
[0085] 優(yōu)選地，能量動力學(xué)包括與W下的任何組合相關(guān)的信息：由與金屬冶煉系統(tǒng)關(guān)聯(lián) 的電網(wǎng)供應(yīng)的電力、或與電網(wǎng)關(guān)聯(lián)的人口的電力需求、或緊急電網(wǎng)狀態(tài)。
[0086] 優(yōu)選地，控制系統(tǒng)還配置成接收指示季節(jié)狀態(tài)、例如天氣變化的輸入數(shù)據(jù)。
[0087] 優(yōu)選地控制系統(tǒng)配置成：
[0088] 當(dāng)接收到的輸入數(shù)據(jù)指示較低金屬價格、較高電力價格和/或較高能量需求中的 一項(xiàng)或多項(xiàng)的任何組合時在絕熱模式下減小電解還原過程的電流和/或功率輸入并且操 作冷卻系統(tǒng)，和/或
[0089] 當(dāng)接收到的輸入數(shù)據(jù)指示較高金屬價格、較低電力價格和/或較低能量需求中的 一項(xiàng)或多項(xiàng)的任何組合時在最大模式下增加電解還原過程的電流和/或功率輸入并且操 作冷卻系統(tǒng)。
[0090] 廣義地在第二方面本發(fā)明包括一種金屬冶煉方法，其包括在電解槽或電解槽系列 中在高溫下通過電解還原過程將金屬礦石還原為金屬，方法包括在最大輸出操作模式下將 冷卻流體輸送到電解槽或電解槽系列并且提供電解還原過程的最大電流和/或功率輸入， 并且在最小輸出操作模式下減小冷卻流體使得冷卻系統(tǒng)中的流體用作絕熱體W減小從電 解槽或電解槽系列的熱消散并且將電流和/或功率輸入減小到相對最小值。
[0091] 廣義地在另一方面中本發(fā)明包括一種控制金屬冶煉系統(tǒng)的方法，所述金屬冶煉系 統(tǒng)包括電解槽或電解槽系列和冷卻系統(tǒng)，在所述電解槽或電解槽系列中在高溫下通過電解 還原過程生產(chǎn)金屬，所述冷卻系統(tǒng)布置成將冷卻流體輸送到電解槽或電解槽系列，方法包 括W下步驟：
[0092] 接收指示金屬的價格、生產(chǎn)金屬所需的電力的成本和能量動力學(xué)中的一項(xiàng)或多項(xiàng) 的組合的輸入數(shù)據(jù)，W及
[0093] 響應(yīng)輸入數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)與電解還原過程或冷卻系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的一個或多個控制設(shè)置。
[0094] 優(yōu)選地與電解還原過程關(guān)聯(lián)的控制設(shè)置包括電解還原過程的電流和/或功率輸 入。
[0095] 優(yōu)選地與冷卻系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的控制設(shè)置包括冷卻系統(tǒng)的操作模式。
[0096] 優(yōu)選地方法還包括從輸入數(shù)據(jù)確定金屬生產(chǎn)的期望速率的步驟，并且調(diào)節(jié)一個或 多個控制設(shè)置的步驟基于金屬生產(chǎn)的期望速率。
[0097] 優(yōu)選地當(dāng)被確定的期望生產(chǎn)速率是最小生產(chǎn)速率時，調(diào)節(jié)的步驟包括將冷卻系統(tǒng) 的控制設(shè)置調(diào)節(jié)到絕熱模式，其中冷卻流體的流動被減小到相對最小值或終止，并且將電 流和/或功率輸入調(diào)節(jié)到相對最小值。
[0098] 優(yōu)選地當(dāng)被確定的期望生產(chǎn)速率是最大生產(chǎn)速率時，調(diào)節(jié)的步驟包括將冷卻系統(tǒng) 的控制設(shè)置調(diào)節(jié)到最大冷卻模式，其中冷卻流體的流動處于最大值，并且將電流和/或功 率輸入調(diào)節(jié)到相對最大值。
[0099] 在另一方面中本發(fā)明可W廣義地被說成包括一種金屬冶煉系統(tǒng)的電解槽，在所述 電解槽中在高溫下通過電解還原過程生產(chǎn)金屬，電解槽設(shè)計具有熱傳遞動力學(xué)和吞吐量的 范圍，其中吞吐量的范圍包括通過使空氣通過能夠使電解槽絕熱的殼式熱交換器保持動力 學(xué)的子范圍，并且其中通過殼式熱交換器的氣流取消電解槽的絕熱，并且由此吞吐量的范 圍包括殼式熱交換器提供冷卻的在子范圍之外的吞吐量的范圍和殼式熱交換器提供絕熱 的在子范圍之外的吞吐量的范圍。
[0100] 在另一方面中，本發(fā)明可W廣義地被說成包括一種金屬冶煉系統(tǒng)，其包括：
[0101] 電解槽，在所述電解槽中在高溫下通過電解還原過程生產(chǎn)金屬，電解槽具有熱傳 遞動力學(xué)和包括保持動力學(xué)的子范圍的吞吐量的范圍，
[0102] 殼式熱交換器，所述殼式熱交換器可操作地聯(lián)接到電解槽并且能夠使電解槽絕 熱，其中通過殼式熱交換器的氣流取消電解槽的絕熱，并且由此吞吐量的范圍包括殼式熱 交換器為電解槽提供冷卻的吞吐量的范圍和殼式熱交換器為電解槽提供絕熱的吞吐量的 范圍。
[0103] 在另一方面中，本發(fā)明可W廣義地被說成包括一種用于積累電力并且將電力分配 到關(guān)聯(lián)的人口并且用于將電力供應(yīng)到關(guān)聯(lián)的金屬冶煉系統(tǒng)的電網(wǎng)，所述金屬冶煉系統(tǒng)包括 電解槽或電解槽系列和冷卻系統(tǒng)，在所述電解槽或電解槽系列中在高溫下通過電解還原過 程生產(chǎn)金屬，所述冷卻系統(tǒng)布置成將冷卻流體輸送到電解槽或電解槽系列，并且其中電網(wǎng) 包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)布置成同時控制冷卻系統(tǒng)和電解還原過程的電功率輸入W響 應(yīng)電網(wǎng)的狀態(tài)調(diào)節(jié)金屬的生產(chǎn)。
[0104] 優(yōu)選地，電網(wǎng)的狀態(tài)包括與電網(wǎng)關(guān)聯(lián)的能量動力學(xué)。能量動力學(xué)例如可W包括關(guān) 聯(lián)的人口的電力需求和可用/積累電力。
[0105] 在本發(fā)明的系統(tǒng)中，由于當(dāng)電解槽系列W最大電流和/或功率輸入操作并且生產(chǎn) 的金屬的輸出最大時關(guān)聯(lián)的冷卻系統(tǒng)也W最大值操作，因此例如當(dāng)金屬的市場需求減小 時，冶煉廠的電流和/或功率輸入可W減小并且冷卻減小W減小冶煉廠輸出。例如，在最大 生產(chǎn)量下，電解過程的電流輸入可W在230-250kA的范圍內(nèi)，在該操作水平冷卻系統(tǒng)W最 大能力操作。當(dāng)冷卻系統(tǒng)在上述的絕熱模式下W最小能力操作或關(guān)閉時，則電解還原過程 的電流輸入例如可W減小到170kA，該又將顯著地減小電解還原和金屬生產(chǎn)的速率，但是不 凍結(jié)電解槽系列。因此本發(fā)明提供一種金屬冶煉系統(tǒng)，其中在生產(chǎn)的金屬的低需求時期期 間和/或在來自與電解槽系列關(guān)聯(lián)的電網(wǎng)的高電功率需求時期期間可W顯著地減小輸出 (而不需要停止電解槽系列)。
[0106] 當(dāng)在該說明書中使用時術(shù)語"電解槽系列"表示在任何配置中一起操作W在金屬 冶煉系統(tǒng)或過程中生產(chǎn)金屬的兩個或更多個電解槽。
[0107] 當(dāng)在該說明書中使用時術(shù)語"包括"表示"至少包括…的一部分"。當(dāng)解釋包括術(shù) 語"包括"的該說明書中的每個語句時，除了 W該術(shù)語開頭的特征W外的特征也可能存在。 諸如"包含"和"含有"的相關(guān)術(shù)語應(yīng)當(dāng)w相同的含義被理解。

【專利附圖】

【附圖說明】
[010引現(xiàn)在參考附圖描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，其中：
[0109] 圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的第一形式的熱交換器的示意性端視圖；
[0110] 圖2顯示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的第二形式的熱交換器的示意性H維端視圖；
[0111] 圖3顯示圖2的熱交換器的一部分的示意性側(cè)視圖；
[0112] 圖4顯示圖2和3的熱交換器的一部分的示意性平面圖；
[0113] 圖5顯示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的熱交換器的變型的示意性端視圖；
[0114] 圖6顯示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的熱交換器的另一變型的示意性端視圖；
[0115] 圖7-9顯示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的熱交換器的H維視圖；
[0116] 圖10顯示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的熱交換器的第一形式的熱交換器部段的H 維視圖；
[0117] 圖11顯示圖10的部段的示意性端視圖；
[0118] 圖12顯示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的熱交換器的熱交換器部段的另一形式的H 維視圖；
[0119] 圖13顯示圖12的部段的一個單元的H維視圖；
[0120] 圖14顯示圖12的部段的示意性端視圖；
[0121] 圖15顯示根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例的熱交換器的熱傳遞裝置的一部分的示意性 H維視圖；
[0122] 圖16顯示圖15的熱傳遞裝置的部分的示意性截面平面圖；
[012引圖17A-17C顯示圖15的熱傳遞裝置的部分的入口的H個變型；
[0124] 圖18A和18B顯示圖15的熱傳遞裝置的部分的出口的變型；
[0125] 圖19顯示圖15的熱傳遞裝置的部分的第一變型的H維示意圖；
[0126] 圖20顯示圖19的熱傳遞裝置的部分的示意性截面平面圖；
[0127] 圖21顯示圖15的熱傳遞裝置的部分的第二變型的示意性H維視圖；
[0128] 圖22顯示圖21的熱傳遞裝置的部分的示意性平面圖；
[0129] 圖23顯示圖15的熱傳遞裝置的部分的第H變型的示意性H維視圖；
[0130] 圖24顯示圖23的熱傳遞裝置的部分的示意性、截面平面圖；
[0131] 圖25顯示圖15的熱傳遞裝置的部分的第四變型的示意性H維視圖；
[0132] 圖26顯示圖25的熱傳遞裝置的部分的示意性截面平面圖；
[0133] 圖27顯示圖15的熱傳遞裝置的部分的第五變型的示意性H維視圖；
[0134] 圖28顯示圖27的熱傳遞裝置的部分的示意性截面平面圖；
[0135] 圖29顯示熱交換器的熱傳遞裝置的一部分的另一實(shí)施例的示意性截面?zhèn)纫晥D；
[0136] 圖30顯示圖29的熱傳遞裝置的部分的示意性截面平面圖；W及
[0137] 圖31顯示優(yōu)選用于本發(fā)明的金屬生產(chǎn)系統(tǒng)的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[013引 1.熱交換器
[0139] 在附圖的圖1至6中，附圖標(biāo)記10大體上指示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的熱交換 器。熱交換器10包括管道12,所述管道在使用中布置在呈烙爐(示意性地W 14示出）形式 的待冷卻的兩個主體之間。管道12限定通道16。
[0140] 呈多個間隔翅片18的形式的熱交換器裝置附連到管道12的外表面。為了易于解 釋，包括管道12和翅片18的組件在下面被稱為導(dǎo)管20。
[0141] 在附圖的圖1中所示的實(shí)施例中，翅片18豎直地間隔并且大致水平地布置或與水 平成微小的角。
[0142] 導(dǎo)管20具有吸熱材料。更特別地，導(dǎo)管20具有鉛材料并且涂覆有吸熱材料W增 強(qiáng)導(dǎo)管20的吸熱特性。例如，導(dǎo)管20涂覆有黑色、吸熱涂料。
[0143] 導(dǎo)管20的管道12的通道16在出口端連接到烙爐14容納在其中的冶煉廠的流體 提取裝置。更特別地，通道16連接到排氣風(fēng)扇（未顯示）W產(chǎn)生熱交換器10中的低壓區(qū)域 W促進(jìn)通過通道16的流體流動。
[0144] 管道12具有示意性地W 22示出的多個孔，空氣可W通過所述孔流動到導(dǎo)管20的 通道16中。
[0145] 熱交換器10包括呈布置在導(dǎo)管20之下的V形偏轉(zhuǎn)板24的形式的偏轉(zhuǎn)器。
[0146] 典型地，冶煉廠的烙爐14借助于母線26提供電力。偏轉(zhuǎn)板24安裝在母線26上 W將圍繞偏轉(zhuǎn)板24的空氣(示意性地W 28示出)偏轉(zhuǎn)到與烙爐的側(cè)壁30接觸，如下面將更 詳細(xì)地描述。
[0147] 呈罩或蓋板32的形式的流體收集裝置安裝在導(dǎo)管20之上W收集空氣28并且朝 著導(dǎo)管20的翅片18引導(dǎo)它。罩32也遮蓋熱交換器10 W免粉塵從上方進(jìn)入。
[0148] 網(wǎng)34安裝在罩32之上使得逸出的任何空氣28可W穿過網(wǎng)34。
[0149] 如上所述，在附圖的圖1所示的實(shí)施例中，翅片18豎直地間隔。在附圖的圖2至4 所示的實(shí)施例中，其中除非另外指出相似的附圖標(biāo)記表示相似的部分，翅片18豎直地布置 并且大致水平地間隔。
[0150] 再次參考附圖的圖1，應(yīng)當(dāng)注意導(dǎo)管20經(jīng)由絕緣親36安裝在偏轉(zhuǎn)板24上。
[0151] 導(dǎo)管20優(yōu)選地W長度或部段形成W滾入兩個烙爐14之間的位置并且與最末端長 度或部段成端對端關(guān)系被固定，它的下游端優(yōu)選地經(jīng)由針對烙爐已經(jīng)就位的單獨(dú)的烙爐排 氣導(dǎo)管連接到冶煉廠的排氣風(fēng)扇。
[0152] 為了促進(jìn)通過導(dǎo)管20的通道16的空氣的流動，如箭頭38所示，通道16朝著它的 下游端向外張開，如附圖的圖3中更詳細(xì)地所示。而且，參考附圖的圖3,應(yīng)當(dāng)注意偏轉(zhuǎn)板 24經(jīng)由親40安裝在母線26上W便于偏轉(zhuǎn)板24和導(dǎo)管20相對于烙爐14定位。親40也使 導(dǎo)管20與母線26電絕緣。
[0153] 現(xiàn)在參考附圖的圖5和6,示出第一實(shí)施例的兩個變型。再次地，參考附圖的圖1 至4,除非另外指出，相似的附圖標(biāo)記表示相似的部分。
[0154] 在某些冶煉廠的設(shè)計中，多個側(cè)立管用于將流動帶到管線中的后續(xù)電解槽或烙爐 中。由于該些立管，安裝導(dǎo)管20的空間很有限。
[0155] 在該樣的冶煉廠中，將電力提供給烙爐14的母線布置在格柵或樓板下方的底板 水平之下。
[0156] 在附圖的圖5和6所示的第一實(shí)施例的兩個變型中，每個烙爐的現(xiàn)有格柵用新格 柵46代替，熱交換器10的導(dǎo)管20安裝在格柵46的平面中。
[0157] 可W預(yù)見，使用該布置，烙爐14的外壁30和導(dǎo)管20之間的熱傳遞可W對流地發(fā) 生而不需要任何另外的熱傳遞裝置。
[015引然而，在附圖的圖5所示的變型中，為了促進(jìn)烙爐14的壁30和導(dǎo)管20之間的福 射熱交換，呈透鏡48的形式的附件安裝在導(dǎo)管20上。透鏡48促進(jìn)從烙爐14的壁30捕捉 的福射熱釋放到導(dǎo)管20的管道12的通道16中。
[0159] 在附圖的圖6所示的變型中，板狀附件50附連到導(dǎo)管12 W促進(jìn)來自烙爐14的壁 30的對流熱流動進(jìn)入導(dǎo)管20的管道12的通道16中。
[0160] 在使用中，在附圖的圖1至4所示的實(shí)施例中，熱交換器10的導(dǎo)管20的部段成端 對端、連接關(guān)系布置在待冷卻的兩個烙爐14之間。導(dǎo)管20的通道16的下游端連接到冶煉 廠的排氣風(fēng)扇。該產(chǎn)生通道中的低壓區(qū)域并且促進(jìn)空氣流動通過通道16,如箭頭38所示。 所W在導(dǎo)管20的通道16中產(chǎn)生類煙道效應(yīng)。在附圖的圖5和6所示的實(shí)施例中，新格柵 46和熱交換器10的導(dǎo)管20的部段定位成代替原始格柵。導(dǎo)管20的部段沿著待冷卻的每 個烙爐14的長度成端對端關(guān)系連接在一起。導(dǎo)管的通道16的下游端連接到冶煉廠的排氣 風(fēng)扇W產(chǎn)生通過導(dǎo)管20的通道16的氣流，關(guān)于其它實(shí)施例同樣如此。
[0161] 來自冶煉廠的底層（未顯示）的冷空氣在烙爐14之間流動，如箭頭28所示，直到 它撞擊偏轉(zhuǎn)板24,其中它被迫分開成與待冷卻的每個烙爐14的壁30撞擊。該通過風(fēng)扇輔 助、自然、對流熱流動產(chǎn)生冷卻的第一級。
[0162] 由于排氣風(fēng)扇通過導(dǎo)管20的通道16吸引空氣，因此與導(dǎo)管20的外部相比在通道 16中產(chǎn)生低壓區(qū)域。因此，由烙爐14的壁30加熱的空氣沿著烙爐壁30向上加速并且通過 管道12的孔22吸引到通道16中，如箭頭42所示。
[0163] 在空氣進(jìn)入導(dǎo)管20的管道12的內(nèi)部之前，空氣必須經(jīng)過翅片18之間或板狀附件 50之間或通過福射透鏡48,視情況而定。該些物件18、48、50吸收從烙爐14的壁30發(fā)射 的福射熱，例如如附圖的圖4中的箭頭44所示。另外，相關(guān)物件18、48或50用作管道12 自身的散熱器。撞擊物件18、48、50的空氣在熱傳遞的第二級中對流地冷卻它們。
[0164] 當(dāng)空氣進(jìn)入導(dǎo)管20的管道12的通道16時，它容納在通風(fēng)裝置中并且朝著通道16 的出口端被吸引。當(dāng)它穿過通道16時，空氣對流地冷卻管道12。為了增強(qiáng)導(dǎo)管20的管道 12的冷卻，管道12的內(nèi)部具有容納在其中的熱傳遞網(wǎng)46,或其它熱傳遞介質(zhì)，如附圖的圖 1中所示。該進(jìn)一步增強(qiáng)導(dǎo)管20和穿過通道16的空氣之間的熱傳遞W實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管20的冷 卻并且保持導(dǎo)管20和烙爐14的壁30之間的足夠熱梯度，使得福射熱交換可W發(fā)生在烙爐 14的壁30和熱交換器10的導(dǎo)管20之間。
[0165] 參考附圖的圖7至14,示出并且描述熱交換器10的第二實(shí)施例。參考先前的附 圖，除非另外指出，相似的附圖標(biāo)記表示相似的部分。在附圖的圖7所示的例子中，熱交換 器10包括熱交換器部段62的兩個排60。熱交換器部段62經(jīng)由導(dǎo)管分支64和導(dǎo)管連接器 66連接到限定通道16的管道12。在附圖的圖7所示的形式中，管道12保持在底層水平并 且在烙爐的操作者的工作區(qū)域之外的烙爐建筑的外部離開。因此，在熱交換器10中加熱的 空氣通過管道12的通道16排出，如箭頭68所示。
[0166] 參考附圖的圖8,再次地，熱交換器10由熱交換器部段62的兩個排60組成。在該 實(shí)施例中，每個排60分成兩個部分而具有兩個煙道70,在排60的每個端部有一個煙道，經(jīng) 加熱的空氣通過所述煙道排放到操作者的工作區(qū)域之上。
[0167] 類似地，在附圖的圖9所示的熱交換器的形式中，排60分成兩個部分W具有在每 個端部處的煙道70,空氣通過所述煙道排放，如箭頭68所示。應(yīng)當(dāng)注意圖5和6所示的實(shí) 施例中的導(dǎo)管20可W連接到類似煙道70遠(yuǎn)離工作者的環(huán)境運(yùn)載將加熱的空氣。
[0168] 所W，在圖8和9的兩種形式的情況下，在熱交換器10中加熱的空氣在操作者的 工作區(qū)域之上的區(qū)域被排放。在所有H種形式中，操作者暴露于從熱交換器10的操作產(chǎn)生 的熱應(yīng)力被減小。
[0169] 參考附圖的圖10和11，更詳細(xì)地描述根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的第一形式的熱 交換器10的部段62中的一個。
[0170] 在本發(fā)明的該實(shí)施例中，熱交換器10的每個部段62包括呈多個間隔管72的形式 的熱傳遞裝置。管72連接到歧管74。歧管74將每個部段62的管72連接到導(dǎo)管分支64， 所述導(dǎo)管分支又經(jīng)由連接器66連接到管道12。
[0171] 每個管72具有高深寬比巧日限定)。W該方式，相鄰管之間的空間用作幫助福射熱 傳遞過程的熱福射收集部。
[0172] 每個管72具有豎直或上升部分76并且經(jīng)由彎曲部分78連接到它的歧管74。
[0173] 每個管72的豎直部分76容納在防護(hù)板80的后面。防護(hù)板80大致平行于烙爐14 的壁30布置W產(chǎn)生溝道82,在所述溝道中冷卻空氣28由于自然對流流動而上升。如果管 道12的通道16中的強(qiáng)制氣流由于任何原因而出故障，則溝道82中的該自然對流熱流動幫 助烙爐14的冷卻并且可W是有益的，使得時間期間增加W開始熱交換器10的管道12的通 道16中的助力空氣流動。
[0174] 應(yīng)當(dāng)注意管72緊鄰烙爐14的壁30定位。福射和自然對流熱傳遞機(jī)理將來自烙 爐14的壁30的熱傳遞到熱交換器管72。該些熱交換器管72具有高熱導(dǎo)率并且吸收來自 烙爐14的壁30的高水平熱。如上所述，熱交換器管72的高深寬比提供相鄰管72之間的 空間，空間用作幫助福射熱傳遞過程的熱福射收集部。另外，來自烙爐14的壁30的自然對 流將一些熱傳遞到熱交換器管72中。
[0175] 如上所述，管道12的下游端連接到烙爐建筑的排氣風(fēng)扇，風(fēng)扇在通道16中產(chǎn)生低 壓區(qū)域。將領(lǐng)會該也在通道16的上游的熱交換器10的所有部分中產(chǎn)生低壓區(qū)域。因此，冷 卻空氣28被吸引到管72中，如附圖的圖11中所示。代替管道12的下游端連接到建筑的 排氣風(fēng)扇，一個或多個獨(dú)立風(fēng)扇可W被提供，僅僅是為了提取來自熱交換器10的流體。管 道12的下游端可W替代地連接到熱驅(qū)動的外部煙畫，所述煙畫使用"煙道效應(yīng)"提供低壓 區(qū)域W促進(jìn)通過管道12的空氣流動。
[0176] 該冷卻空氣28在已由烙爐14的壁30福射加熱的熱交換器管72內(nèi)豎直地移動。 熱經(jīng)由強(qiáng)制對流從熱交換器管72傳遞到在管72內(nèi)流動的空氣。熱交換器10內(nèi)的空氣的 速度使得導(dǎo)致從熱交換器管72的表面到在管72中流動的空氣28的熱傳遞的高速率。
[0177] 為了幫助該熱傳遞，管72的每一個的內(nèi)表面可W包括延伸表面特征(未顯示)、例 如多孔介質(zhì)W增加熱傳遞率。
[0178] 離開管72的空氣28遇到每個管72的彎曲區(qū)域78。該彎曲區(qū)域78幫助破壞熱和 流體動力邊界層，邊界層的破壞幫助促進(jìn)從管72到空氣28的對流熱傳遞。
[0179] 參考附圖的圖12-14,描述熱交換器10的第二實(shí)施例的另一形式。每個熱交換器 部段62包括多個單元84,在附圖的圖13中更詳細(xì)地顯示所述單元中的一個。每個單元84 包括歧管74和沿著歧管74的長度W間隔間距布置的多個熱交換器管72。
[0180] 在第二實(shí)施例的該形式中，每個管72具有進(jìn)給到豎直部分88中的水平上游部段 86,所述豎直部分在進(jìn)入歧管74之前又進(jìn)給到彎曲部分90中。
[0181] 如附圖的圖14中更清楚地所示，每個管72的豎直部分88保持在烙爐14的壁30 和防護(hù)板80之間的溝道82中。
[0182] 此外，在該實(shí)施例中，單元84的歧管74 W豎直間隔關(guān)系堆疊成使得上單元84的 管72的水平部分86與下單元的管72交錯，管74的水平部分86布置在下單元84的歧管 74之下。
[0183] 歧管74連接到具有出口通道94的下游歧管92,所述出口通道連接到導(dǎo)管分支 64,并且經(jīng)由導(dǎo)管連接器66連接到管道12。
[0184] 在熱交換器10的第二實(shí)施例的該形式中，空氣28由于管道12的通道16中的強(qiáng) 制流動而被吸引到管86的水平部分中?？諝?8橫越管72的每一個的豎直部分88?？諝?流動方向的變化通過熱和流體動力邊界層的擾動增強(qiáng)熱傳遞。另外，豎直長度88比管72 的全長短。該通過抑制管72的豎直部分88中的熱和流體動力邊界層的積累而進(jìn)一步增強(qiáng) 熱傳遞。
[0185] 現(xiàn)在參考圖15至28,描述熱交換器10的第二實(shí)施例的又一變型。再次地，參考先 前的附圖，除非另外指出，相似的附圖標(biāo)記表示相似的部分。
[0186] 在本發(fā)明的第二實(shí)施例的該變型中，熱交換器10的熱傳遞裝置的每個部段62包 括具有一對向外延伸凸緣102的至少一個溝道形導(dǎo)管100 (顯示其中的一個)。該些凸緣 102在使用中抵靠待冷卻的烙爐14的壁30的外表面放置，如附圖的圖15和16中所示。該 樣做時，形成通道104。冷卻流體或空氣在箭頭106的方向上穿過通道。
[0187] 為了促進(jìn)烙爐14的壁30和導(dǎo)管100之間的熱交換，導(dǎo)管100的內(nèi)表面被制備并 且涂覆W提供高發(fā)射率表面從而促進(jìn)從烙爐壁30的吸熱。典型地，導(dǎo)管100具有合適的金 屬并且涂覆有黑色吸熱涂料W促進(jìn)熱傳遞。
[018引福射熱交換發(fā)生在烙爐壁30和特別地與烙爐壁30間隔的熱交換器導(dǎo)管100的壁 108之間。對流熱交換由于空氣通過通道104、通過出口 110 (圖18A和18B)并且進(jìn)入歧管 74 (未在圖15至28中顯示）而發(fā)生。如上所述，來自歧管的空氣被吸引到管道12的通道 16中W便從烙爐14布置在其中的結(jié)構(gòu)排出。再次地，通過將管道12的出口端連接到合適 的排氣風(fēng)扇，對流熱交換由于通過導(dǎo)管100、歧管74和管道12的空氣的輔助流動而發(fā)生。 附加地，由于由煙道70產(chǎn)生的類煙道效應(yīng)而增強(qiáng)自然對流流動。
[0189] 每個導(dǎo)管100的入口 112可W為方形，如附圖的圖17A中所示。替代地，入口 112 可W成形為巧日附圖的圖17B和17C中所示)減小與進(jìn)入導(dǎo)管100中關(guān)聯(lián)的壓降。對于標(biāo)準(zhǔn) 的直邊緣入口 112,如附圖的附圖17A中所示，壓力損失系數(shù)為1，但是對于具有大于0.2的 入口半徑和液壓直徑的比的圓角或成角入口巧日圖17B和17C中所示)可W降低到小于0. 1。
[0190] 入口形狀的要求取決于提供通過導(dǎo)管100的強(qiáng)制流動的成本、通過每個導(dǎo)管100 的通道104的空氣的速度和提供特定形狀的額外成本之間的最優(yōu)。
[0191] 每個導(dǎo)管100的單出口 110可W被提供W用于連接到歧管74使得所有冷卻空氣 進(jìn)入歧管74,如附圖的圖18A中所示。替代地，如附圖的圖18B中所示，副出口 114可W被 提供，冷卻空氣的一部分流動通過所述副出口，如箭頭116所示。在由于某個原因通過導(dǎo)管 100的強(qiáng)制對流流動由于任何原因停止的情況下，該部分氣流16可W是有幫助的。氣流116 維持烙爐14的壁30的自然對流冷卻。該將提供足夠的時間W能夠采取補(bǔ)救措施恢復(fù)通過 導(dǎo)管100的空氣的強(qiáng)制流動并且減小烙爐14的壁30發(fā)生明顯損傷的可能性。
[019引若需要，副出口 114可W由壓力控制瓣片（未顯示)閉合，當(dāng)有通過導(dǎo)管100的空氣 的強(qiáng)制流動時所述壓力控制瓣片保持在閉合副出口 114的位置。由于強(qiáng)制流動的故障引起 的壓力損失導(dǎo)致瓣片移動到打開副出口并且允許流動通過副出口 114的位置。
[0193] 如圖18A中所示，完全閉合導(dǎo)管具有的優(yōu)點(diǎn)是來自部段62的所有經(jīng)加熱的空氣從 包括操作者工作區(qū)域的烙爐14的周圍被去除。該具有減小操作者熱應(yīng)力的可能。
[0194] 如附圖的圖18B中所示，部分打開導(dǎo)管100允許經(jīng)加熱的空氣的一部分進(jìn)入分支 和主管道12 W從局部烙爐環(huán)境去除。如上所述，空氣的剩余部分在箭頭116的方向上流動 通過烙爐壁30 W保持烙爐壁30的對流冷卻的測量。
[0195] 為了增強(qiáng)每個部段62和烙爐壁30之間的熱傳遞，每個導(dǎo)管100包含熱傳遞增強(qiáng) 表面118。在附圖的圖19和20所示的變型中，熱傳遞增強(qiáng)表面118由平行于通過每個導(dǎo)管 100的通道104的氣流的方向延伸的翅片120限定。該些翅片120不產(chǎn)生顯著的壓降。翅 片120用作散熱器W用于接收來自烙爐壁30的福射和對流熱傳遞并且用于將該熱傳遞到 穿過相鄰翅片120之間的空間的冷卻流體。與導(dǎo)管100 -樣，翅片120被處理W具有高發(fā) 射率表面。
[0196] 在附圖的圖21和22所示的變型中，代替平面翅片120,每個翅片被開槽W提供短 長度翅片122,所述短長度翅片相對于彼此偏移W形成在短長度的交錯陣列中布置的大致 V形結(jié)構(gòu)，如附圖的圖21和22中所示。
[0197] 該布置幫助減小熱邊界層，并且該樣做時，增強(qiáng)對流熱傳遞。
[019引在附圖的圖23和24中，熱傳遞增強(qiáng)表面118包括固定到每個導(dǎo)管100的壁108 的內(nèi)表面W在使用中位于通道104內(nèi)的潤流生成器124。潤流生成器124阻礙流體流動通 過通道104并且導(dǎo)致潤流形成。再次地，該些潤流減小熱邊界層的積累，增強(qiáng)對流熱傳遞。 作為進(jìn)一步的增強(qiáng)，可W在每個導(dǎo)管100的壁108中切出孔，如附圖的圖23中W 126示意 性地顯示。該些孔126將冷卻流體吸引到部段62的通道104中W進(jìn)一步增強(qiáng)熱傳遞。
[0199] 在附圖的圖25和26中顯示熱傳遞表面118的又一變型。在該變型中，潤流生成 器124 W豎直間隔間距布置在翅片120上。潤流生成器124幫助將來自翅片120的熱傳遞 到冷卻流體并且用于將翅片120保持在低溫。該允許發(fā)生從烙爐壁30的福射熱傳遞W及 從熱傳遞增強(qiáng)表面118到流動通過通道104的冷卻流體的對流熱傳遞。
[0200] 在附圖的圖27和28所示的變型中，熱傳遞增強(qiáng)表面由波紋形翅片128限定。另 夕F，翅片128被穿孔。翅片128被布置成形成相鄰翅片128之間的交替較寬和較窄通道。冷 卻流體移動通過該些交替較寬和較窄部段，產(chǎn)生促進(jìn)流體流動通過穿孔翅片128的局部壓 力差。
[0201] 由翅片128限定的延伸表面的組合、減小熱邊界層和通過翅片128的穿孔的流體 流動的交替較窄和較寬部段全部增強(qiáng)熱傳遞。
[0202] 附圖的圖29和30中所示的部段62是上面參考附圖的圖10和11所述的部段62 的變型并且也可W應(yīng)用于附圖的圖12至14中所示的實(shí)施例。
[0203] 在該變型中，每個管72具有在更靠近烙爐壁30的管72的較窄壁中限定的狹縫 130。狹縫130縱向地延伸。
[0204] 橫越管72產(chǎn)生壓力差W促進(jìn)在箭頭132的方向上的流體流動（圖30)。冷卻流體 撞擊烙爐14的壁30的外表面并且被吸引到每個部段62的管72的狹縫130中。該冷卻流 體然后通過歧管74進(jìn)給到管道12中W便提取，如上面參考圖10和11所述。撞擊烙爐壁 30的流體減小熱邊界層，該增強(qiáng)熱傳遞。通過應(yīng)用在熱交換器部段62的外部的更冷流體也 增強(qiáng)熱傳遞。該流體流動是在管72的縱軸線的方向上的通過管72的流體流動的補(bǔ)充，女口 上面參考圖10和11所述。
[0205] 盡管已參考縱向延伸狹縫描述該變型，但是狹縫可W是管72的全長或沿著管72 的長度的短長度。另一變型可W是使用多個短管，每個限定狹縫130,管W水平和豎直間隔 關(guān)系布置W覆蓋烙爐壁30。該布置將類似于上面參考附圖的圖12至14所述的布置。
[0206] 本發(fā)明的第二實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是使用在熱交換器管72的外部的自然對流流動。如 上所述，如果通道16中的強(qiáng)制對流流動由于任何原因停止， 申請人:相信，自然對流流動將 減小烙爐14的壁30的溫度上升，能夠采取補(bǔ)救措施，減小由于過熱引起的烙爐損傷的可能 性。
[0207] 本發(fā)明的特別優(yōu)點(diǎn)在于提供使用單熱交換流體的熱交換器10。熱交換器10和烙 爐14之間的熱交換同時通過對流和福射發(fā)生W增強(qiáng)熱傳遞。
[020引本發(fā)明的另一主要優(yōu)點(diǎn)在于提供可W原位安裝而不需要烙爐14的任何修改的熱 交換器10。因此，熱交換器10可W相對于烙爐14安裝就位而不停止烙爐14。因此，烙爐 14的停工時間即使不完全消除也被減小，該具有很大的經(jīng)濟(jì)效益。
[0209] 另外，W長度或部段提供熱交換器10便于熱交換器10的安裝。除了安裝用于熱 交換器10的風(fēng)扇系統(tǒng)W外巧日果適用），不需要冶煉廠的明顯改變，所述風(fēng)扇系統(tǒng)可W可選 地包括管道12的出口端到冶煉廠的排氣風(fēng)扇的連接。
[0210] 關(guān)于附圖的圖5、6和7-30中所示的本發(fā)明的實(shí)施例，本發(fā)明的又一優(yōu)點(diǎn)在于冶煉 廠中的操作者的熱負(fù)荷減小，原因是熱通過管道12被吸引并且遠(yuǎn)離操作者的工作區(qū)域離 開。
[0211] 2.金屬生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計和控制
[0212] 2.1 概述
[021引例如在生產(chǎn)200, 00化pa并且消耗300MW電力的現(xiàn)有技術(shù)的冶煉廠中，大約150MW 被轉(zhuǎn)化成熱并且在電解車間內(nèi)或遠(yuǎn)處進(jìn)入大氣。然而該熱損失是鉛還原電解槽的預(yù)期設(shè)計 的一部分，原因是能夠從側(cè)壁提取熱在形成冷凍冰晶石平臺W保護(hù)電解槽的側(cè)壁中起到重 要作用。烙融冰晶石（電解質(zhì)）具有很高的腐蝕性并且將容易溶解多數(shù)材料，并且該包括碳 化娃側(cè)壁材料和鋼殼，如果它暴露于冰晶石的話；所W需要保護(hù)層并且該樣做的最佳材料 目前是冷凍形式的冰晶石材料自身。該冷凍平臺的形成取決于電解槽之外的熱傳遞和電解 質(zhì)的過熱，并且因此電解槽的設(shè)計和操作對于保持保持側(cè)壁上的恒定平臺非常重要的。
[0214] 由于需要保護(hù)冰晶石平臺，電解槽設(shè)計成考慮具有比熱平衡，并且由于該還原電 解槽在它們的操作中在偏離它們的設(shè)計熱平衡狀態(tài)方面很不靈活。該意味著功率輸入的變 化、也就是說安培數(shù)增加或減小很有限，目前容許的是大約+-5%的偏差。在過去，故直定安 培數(shù)運(yùn)行是可接受的，原因是相對于鉛價格的電力成本處于可接受的比率，意味著制造鉛 是盈利的生意。
[0215] 鉛還原電解槽不能只是切換到新操作點(diǎn)并且預(yù)期完美地運(yùn)行。
[0216] 如上所述，例如隨著市場需求的變化，在本發(fā)明的金屬冶煉系統(tǒng)中控制系統(tǒng)布置 成控制熱交換器/冷卻系統(tǒng)和電解還原過程的電流和/或功率輸入W改變電力消耗并且至 少在優(yōu)選實(shí)施例中一起動態(tài)地調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)和電流和/或功率輸入W改變工廠輸出。當(dāng)電 解槽系列W最大電流操作和/或生產(chǎn)的金屬的功率輸入和輸出處于最大值時，冷卻系統(tǒng)也 W最大值操作。冶煉廠的電流和/或功率輸入可W減小并且冷卻減小W減小冶煉廠輸出。 冷卻系統(tǒng)可W在絕熱模式下被關(guān)閉或W最小能力操作并且電解還原過程的電流輸入減小， 該又將明顯地減小電解還原和金屬生產(chǎn)的速率，但是不冷凍電解槽系列。先前參考圖1-30 所述的(一個或多個）熱交換器/(一個或多個）冷卻系統(tǒng)中的任何一個或多個能夠至少在 冷卻模式和絕熱模式下由本發(fā)明的控制系統(tǒng)操作，如下面將更詳細(xì)地所述。
[0217] 2. 2控制系統(tǒng)
[021引現(xiàn)在將參考鉛冶煉系統(tǒng)描述本發(fā)明的控制系統(tǒng)。然而，將領(lǐng)會控制系統(tǒng)可W替代 地用于控制相同或其它金屬的類似或相關(guān)生產(chǎn)過程。
[0219] 參考圖31，顯示表示本發(fā)明的優(yōu)選形式的鉛生產(chǎn)系統(tǒng)200的流程圖。系統(tǒng)200配 置成響應(yīng)一個或多個輸入?yún)?shù)210控制與鉛冶煉系統(tǒng)240關(guān)聯(lián)的電解還原過程和/或冷卻 系統(tǒng)(例如熱交換器10)的操作。輸入?yún)?shù)210與鉛的生產(chǎn)直接地或間接地相關(guān)并且包括 經(jīng)濟(jì)輸入(例如鉛的市場價格211和鉛的生產(chǎn)成本212)和能量動態(tài)(例如與鉛的生產(chǎn)相關(guān) 的電網(wǎng)的狀態(tài)和/或動態(tài)213)中的一項(xiàng)或多項(xiàng)的任何組合?？刂颇K220配置成接收輸 入210并且作為響應(yīng)更新與鉛生產(chǎn)過程關(guān)聯(lián)的各種設(shè)置。該些設(shè)置包括但不限于W下的一 項(xiàng)或多項(xiàng)的任何組合；電流輸入設(shè)置231、冷卻系統(tǒng)設(shè)置232、鉛還原化學(xué)性質(zhì)設(shè)置233和其 它操作控制設(shè)置234,例如陽極-陰極距離控制?？刂葡到y(tǒng)生成與更新設(shè)置231-234關(guān)聯(lián)的 必要控制輸出230 W控制鉛冶煉系統(tǒng)的適當(dāng)設(shè)備。特別地，控制輸出230用于控制電解還 原過程和冶煉系統(tǒng)240的關(guān)聯(lián)冷卻系統(tǒng)的操作W根據(jù)輸入210改變鉛的生產(chǎn)率。
[0220] 如上所述，為了改變鉛的生產(chǎn)率（即，冶煉系統(tǒng)的輸出），電解還原過程和冷卻系統(tǒng) 都需要相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)節(jié)?？蒞通過根據(jù)設(shè)置231和233改變過程的電流輸入和/或化學(xué)性 質(zhì)控制電解還原過程。為了便于電解還原過程的動態(tài)調(diào)節(jié)，相應(yīng)地調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的操作狀 態(tài)。例如，為了獲得鉛的最大產(chǎn)量/生產(chǎn)，通過增加冶煉廠的電流輸入和/或相應(yīng)地改變冶 煉廠內(nèi)的過程的化學(xué)性質(zhì)使電解還原的速率增加到最大值。該具有增加冶煉廠的操作溫度 的效果。為了防止保護(hù)冷凍冰晶石平臺的烙化，冷卻系統(tǒng)在冷卻模式下操作W提取來自冶 煉廠電解槽的熱。相反地，為了獲得鉛的最小產(chǎn)量/生產(chǎn)，通過減小冶煉廠的電流輸入和/ 或相應(yīng)地改變冶煉廠內(nèi)的過程的化學(xué)性質(zhì)使電解還原的速率減小到最小值。該具有減小冶 煉廠的操作溫度的效果。為了防止冶煉廠電解槽的冷凍，冷卻系統(tǒng)在絕熱模式下操作W保 持冶煉廠電解槽內(nèi)的熱。
[0221] 典型的鉛冶煉系統(tǒng)W大致恒定的高輸入功率操作。動態(tài)調(diào)節(jié)鉛冶煉廠的生產(chǎn)率的 能力能夠在可W由某些經(jīng)濟(jì)驅(qū)動力決定的需要/期望時期期間保存電力。本發(fā)明的控制系 統(tǒng)200還配置成將生產(chǎn)期間未被鉛冶煉廠使用的任何剩余電力釋放到關(guān)聯(lián)的電網(wǎng)。釋放剩 余電力的決定和將釋放到電網(wǎng)250的電力的量基于經(jīng)濟(jì)驅(qū)動力、例如鉛的價格211或生產(chǎn) 成本212 (與電價相關(guān))和/或包括電力的需求(與電網(wǎng)關(guān)聯(lián)的人口)vs.電網(wǎng)260的可用電 力/狀態(tài)的能量動態(tài)231?？刂葡到y(tǒng)200在優(yōu)選形式中接收關(guān)于電網(wǎng)狀態(tài)260的反饋W在 輸入端更新電網(wǎng)信息和能量動態(tài)213。
[0222] W上述方式，控制系統(tǒng)200獲得大型和高效能量分配系統(tǒng)。冶煉廠的能量消耗可 W顯著地減小從而不僅當(dāng)電價高和/或鉛價低時允許冶煉廠節(jié)省成本，而且能夠?qū)⒈４娴?能量饋送回到關(guān)聯(lián)的電網(wǎng)中，因此提供應(yīng)付人口能量需求超出供應(yīng)(本地、全國或橫越大 洲)的時期的機(jī)制。該情況可W應(yīng)用的情形例如可W包括天氣變化、國內(nèi)需求變化和可再生 能源(例如風(fēng)能或太陽能)的輸入可用性。該些情形組成影響由控制系統(tǒng)200接收的能量動 態(tài)213的輸入因素的組合。該機(jī)制因此提供穩(wěn)定電網(wǎng)并且減少昂貴的峰值功率發(fā)電站的需 要。供應(yīng)和需求平衡和網(wǎng)絡(luò)容量模型由控制系統(tǒng)200獲得，所述模型確定最大化冶煉廠效 率和一般電力消費(fèi)者的利益的負(fù)荷減小或負(fù)荷增加的最佳量和持續(xù)時間。
[0223] 控制系統(tǒng)200在優(yōu)選實(shí)施例中配置成基于預(yù)定供應(yīng)/需求和網(wǎng)絡(luò)容量模型操作。 控制模塊220將使用初始針對關(guān)聯(lián)的冶煉廠的本地市場和能量狀態(tài)定制的模型。在冶煉廠 的操作期間，控制系統(tǒng)200將輸入210饋送到模型中W預(yù)測用于減小或增加冶煉廠的能量 負(fù)荷的最佳時間。如上所述，模型將確定最佳時間W增加冶煉廠效率并且經(jīng)由電網(wǎng)穩(wěn)定有 益于關(guān)聯(lián)的電網(wǎng)。模型還可W預(yù)測冶煉廠的負(fù)荷減小的成本節(jié)約和對本地能量市場的影響 (例如，平均電價)。
[0224] 在它的各方面中，控制系統(tǒng)200可W在計算機(jī)執(zhí)行過程、提供計算機(jī)程序可W在 上面執(zhí)行的平臺的機(jī)器(例如電子設(shè)備或通用計算機(jī)或其它設(shè)備）或包含存儲在上面的計 算機(jī)程序指令或計算機(jī)可讀數(shù)據(jù)的可讀存儲介質(zhì)中體現(xiàn)。輸入信息210可W經(jīng)由遠(yuǎn)程通信 從外部和/或遠(yuǎn)程設(shè)備或系統(tǒng)、直接從電子源被接收和/或可W通過手動輸入由操作者接 收。輸入信息可W定期地或基于某些事件、例如鉛的市場需求的顯著下降被提供。
[0225] 2. 3化學(xué)性質(zhì)控制
[0226] 在本發(fā)明的至少一些實(shí)施例中控制系統(tǒng)200配置成調(diào)節(jié)電解槽化學(xué)性質(zhì)和電解 還原過程的輸入進(jìn)料速度W改變鉛的生產(chǎn)率?，F(xiàn)代還原電解槽的電解質(zhì)化學(xué)性質(zhì)設(shè)計成W 微妙平衡為目標(biāo)，其最小化能量輸入（電解質(zhì)電阻率）同時保持熱平衡W允許充分的氧化鉛 溶解。該密封操作窗口不太適合能量調(diào)節(jié)，原因是功率輸入的短期變化可能導(dǎo)致顯著的過 程擾動，包括齡渣積累和陽極效應(yīng)。
[0227] 鉛還原電解槽的控制基本上由能量輸入（電流/電壓）材料添加物(氧化鉛、氣化 鉛）和烙融鹽電解質(zhì)化學(xué)性質(zhì)（電阻率、液相溫度）之間的相互作用驅(qū)動。關(guān)于后者，電解槽 典型地在電解質(zhì)將冷凍的溫度之上l〇°C左右操作，并且氧化鉛的常規(guī)添加物將典型地獲取 大量的該過熱(在液相之上的溫度）W便溶解。應(yīng)當(dāng)注意該過熱僅僅是電解槽操作溫度的 1%左右并且通過避免通過過剩熱的能量浪費(fèi)和需要保持保護(hù)冷凍電解質(zhì)層W防側(cè)壁難烙 而被限制。一些冶煉廠有時通過將LiF添加到電解質(zhì)進(jìn)行操作W降低操作溫度并且因此降 低能量輸入，代價是進(jìn)行后續(xù)金屬處理W便從產(chǎn)品鉛去除裡。
[022引幾乎普遍使用的目前的電解質(zhì)的成分在表1中顯示。過量AlFs降低液相溫度，因 此節(jié)省加熱電解槽所需的能量，并且降低金屬鉛的溶解度，因此限制金屬溶解的逆反應(yīng)并 且提高電流效率。然而10-12%的過量AlFs也降低氧化鉛(進(jìn)入還原電解槽的主要原料)的 溶解度。應(yīng)當(dāng)注意當(dāng)氧化鉛被進(jìn)給到電解槽并且被還原W形成鉛時氧化鉛濃度循環(huán)。使用 該電解質(zhì)化學(xué)性質(zhì)，氧化鉛溶解度可W被限制到大約5%同時最小化電解質(zhì)電阻率有助于 在大約2%處操作。損害的溶解度導(dǎo)致齡渣(最不易溶解的氧化鉛)積累在陰極上，對電解槽 的溫度和電流效率有一些影響。溶解的氧化鉛的缺乏也引起陽極效應(yīng)，其中電解質(zhì)自身被 電解，伴隨強(qiáng)烈的溫室種類CF4和CsFe的排放。在C02當(dāng)量中，該些氣體的排放目前構(gòu)成工 業(yè)的溫室影響范圍的大約37%。
[0229] 表1 ;典型的電解質(zhì)成分
[0230]

【權(quán)利要求】
1. 一種冶煉熔爐熱交換器，包括： 管道，用于相對于待冷卻的熔爐輸送冷卻流體；以及 與所述管道的內(nèi)部連通的至少一個導(dǎo)管，所述至少一個導(dǎo)管在使用中鄰近所述熔爐的 壁定位以與所述熔爐的壁一起形成通道，所述冷卻流體能夠穿過所述通道，所述管道和所 述至少一個導(dǎo)管一起限定組件，所述組件能鄰近于所述待冷卻的熔爐并且在所述熔爐的外 部安裝，在所述熔爐和所述至少一個導(dǎo)管之間發(fā)生輻射熱交換，并且由于所述冷卻流體相 對于所述熔爐和相對于所述至少一個導(dǎo)管的運(yùn)動導(dǎo)致對流熱交換，所述導(dǎo)管還包括呈表面 積增加部件和渦流引發(fā)部件中的至少一個的形式的熱傳遞增強(qiáng)部分，所述熱傳遞增強(qiáng)部分 布置在所述至少一個導(dǎo)管的壁的內(nèi)側(cè)上以位于所述通道內(nèi)從而至少增強(qiáng)所述至少一個導(dǎo) 管和所述冷卻流體之間的對流熱傳遞。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中所述導(dǎo)管為具有敞開側(cè)的溝道形，在使用中 所述熔爐的壁閉合所述敞開側(cè)以形成所述通道。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中所述至少一個導(dǎo)管的內(nèi)表面被處理以提供高 發(fā)射率從而促進(jìn)從所述熔爐的壁的吸熱。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中所述至少一個導(dǎo)管的所述表面積增加部件呈 翅片的形式。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中所述至少一個導(dǎo)管的入口被成形為減小與所 述冷卻流體進(jìn)入所述至少一個導(dǎo)管的內(nèi)部相關(guān)的壓降。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中所述至少一個導(dǎo)管具有主出口和副出口，所 述冷卻流體通過所述主出口進(jìn)入所述管道，所述冷卻流體中的一些能夠穿過所述副出口以 幫助自然對流熱交換。
7. -種金屬冶煉系統(tǒng)，包括： 熔爐，在所述熔爐中在高溫下通過電解還原過程生產(chǎn)金屬， 鄰近于所述熔爐的根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔爐熱交換器；以及 控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)布置成同時控制所述熱交換器和所述電解還原過程的電流和 /或功率輸入，并且包括在所述熱交換器的絕熱模式下至少減小冷卻流體的流動并且將電 流和/或功率輸入減小到相對最小值。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的金屬冶煉系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)布置成在所述熱交換器的 絕熱模式下停止冷卻流體的流動。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的金屬冶煉系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)布置成在以下模式之間同 時控制所述熱交換器和所述電解還原過程的電流和/或功率輸入： 最大模式，其中所述熱交換器以較高或最大冷卻操作，以及 絕熱模式，其中鄰近于所述熔爐的熱交換器用作絕熱體以減小從所述熔爐的熱消散。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的金屬冶煉系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)還布置成： 接收指示金屬的價格、生產(chǎn)金屬所需的電力的成本和能量動態(tài)中的一項(xiàng)或多項(xiàng)的組合 的輸入數(shù)據(jù)， 響應(yīng)所述輸入數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)與所述電解還原過程或所述熱交換器關(guān)聯(lián)的一個或多個控制 設(shè)置，以及 根據(jù)經(jīng)調(diào)節(jié)的控制設(shè)置操作所述熱交換器和所述電解還原過程。
11. 一種金屬冶煉系統(tǒng)，包括： 電解槽或電解槽系列，在所述電解槽或電解槽系列中在高溫下通過電解還原過程生產(chǎn) 金屬， 冷卻系統(tǒng)，所述冷卻系統(tǒng)布置成將冷卻流體輸送到所述電解槽或電解槽系列；以及 控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)布置成同時控制所述冷卻系統(tǒng)和所述電解還原過程的電流和 /或功率輸入，并且包括在所述冷卻系統(tǒng)的絕熱模式下至少減小冷卻流體的流動并且將電 流和/或功率輸入減小到相對最小值。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的金屬冶煉系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)布置成在所述冷卻系統(tǒng) 的絕熱模式下停止冷卻流體的流動。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的金屬冶煉系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)布置成在以下模式之間 同時控制所述冷卻系統(tǒng)和所述電解還原過程的電流和/或功率輸入： 最大模式，其中所述冷卻系統(tǒng)以較高或最大冷卻操作，以及 絕熱模式，其中鄰近于所述電解槽系列的所述冷卻系統(tǒng)用作絕熱體以減小從所述電解 槽系列的熱消散。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的金屬冶煉系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)布置成也在所述最大模 式和所述絕熱模式之間的中間和/或最小模式下操作所述冷卻系統(tǒng)和所述電解還原過程 的電流和/或功率輸入，其中所述冷卻系統(tǒng)以中間或最小冷卻操作并且電流和/或功率輸 入處于中間和/或最小水平。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的金屬冶煉系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)還布置成： 接收指示金屬的價格、生產(chǎn)金屬所需的電力的成本和能量動態(tài)中的一個或多個的組合 的輸入數(shù)據(jù)， 響應(yīng)所述輸入數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)與所述電解還原過程或所述冷卻系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的一個或多個控制 設(shè)置，以及 根據(jù)經(jīng)調(diào)節(jié)的控制設(shè)置操作所述冷卻系統(tǒng)和所述電解還原過程。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的金屬冶煉系統(tǒng)，其中所述控制設(shè)置包括所述電解還原過程 的電流和/或功率輸入設(shè)置。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的金屬冶煉系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)還布置成在所述電解還 原過程的操作期間根據(jù)經(jīng)調(diào)節(jié)的電流和/或電功率輸入設(shè)置將剩余輸入電力釋放到電網(wǎng)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的金屬冶煉系統(tǒng)，其中所述控制設(shè)置包括所述冷卻系統(tǒng)的操 作模式和/或流率設(shè)置。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的金屬冶煉系統(tǒng)，其中所述控制設(shè)置還包括與所述電解還原 過程關(guān)聯(lián)的浴槽化學(xué)性質(zhì)設(shè)置。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的金屬冶煉系統(tǒng)，其中所述能量動態(tài)包括與以下相關(guān)的信 息：由與所述金屬冶煉系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的電網(wǎng)供應(yīng)的電力和/或與所述電網(wǎng)關(guān)聯(lián)的人口的電力需 求。
21. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的金屬冶煉系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)配置成： 當(dāng)接收到的輸入數(shù)據(jù)指示較低金屬價格、較高電價和/或較高能量需求中的一個或多 個的任何組合時，在所述絕熱模式下減小所述電解還原過程的電流和/或功率輸入并且操 作所述冷卻系統(tǒng)，和/或 當(dāng)接收到的輸入數(shù)據(jù)指示較高金屬價格、較低電價和/或較低能量需求中的一個或多 個的任何組合時，在所述最大模式下增加所述電解還原過程的電流和/或功率輸入并且操 作所述冷卻系統(tǒng)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的金屬冶煉系統(tǒng)，其中在所述絕熱模式下所述冷卻系統(tǒng)中的 靜止空氣用作絕熱體。
23. -種金屬冶煉方法，包括在電解槽或電解槽系列中在高溫下通過電解還原過程將 金屬礦石還原為金屬，所述方法包括在最大輸出操作模式下將冷卻流體輸送到所述電解槽 或電解槽系列并且提供所述電解還原過程的最大電流和/或功率輸入，并且在最小輸出操 作模式下減小冷卻流體使得冷卻系統(tǒng)中的流體用作絕熱體以減小從所述電解槽或電解槽 系列的熱消散并且將電流和/或功率輸入減小到相對最小值。
24. -種控制金屬冶煉系統(tǒng)的方法，所述金屬冶煉系統(tǒng)包括電解槽或電解槽系列和冷 卻系統(tǒng)，在所述電解槽或電解槽系列中在高溫下通過電解還原過程生產(chǎn)金屬，所述冷卻系 統(tǒng)布置成將冷卻流體輸送到所述電解槽或電解槽系列，所述方法包括以下步驟： 接收指示金屬的價格、生產(chǎn)金屬所需的電力的成本和能量動態(tài)中的一個或多個的組合 的輸入數(shù)據(jù)，以及 響應(yīng)輸入所述輸入數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)與所述電解還原過程或所述冷卻系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的一個或多個 控制設(shè)置。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括從所述輸入數(shù)據(jù)確定期望的金屬生產(chǎn)率的步 驟，并且調(diào)節(jié)所述一個或多個控制設(shè)置的步驟基于所述期望的金屬生產(chǎn)率。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中當(dāng)被確定的期望生產(chǎn)率是最小生產(chǎn)率時，所述 調(diào)節(jié)的步驟包括將所述冷卻系統(tǒng)的控制設(shè)置調(diào)節(jié)到絕熱模式，其中冷卻流體的流動被終 止，并且將電流和/或功率輸入調(diào)節(jié)到相對最小值，而當(dāng)被確定的期望生產(chǎn)率是最大生產(chǎn) 率時，所述調(diào)節(jié)的步驟包括將所述冷卻系統(tǒng)的控制設(shè)置調(diào)節(jié)到最大冷卻模式，其中冷卻流 體的流動處于最大值，并且將電流輸入調(diào)節(jié)到相對最大值。
27. 一種金屬冶煉系統(tǒng)，包括： 電解槽，在所述電解槽中在高溫下通過電解還原過程生產(chǎn)金屬，所述電解槽具有熱傳 遞動力學(xué)性能和包括保持熱傳遞動力學(xué)性能的子范圍的吞吐量的范圍， 殼式熱交換器，所述殼式熱交換器可操作地聯(lián)接到所述電解槽并且能夠使所述電解槽 絕熱，其中通過所述殼式熱交換器的氣流取消所述電解槽的絕熱，并且所述吞吐量的范圍 包括所述殼式熱交換器為所述電解槽提供冷卻的吞吐量的范圍和所述殼式熱交換器為所 述電解槽提供絕熱的吞吐量的范圍。
【文檔編號】C25C3/06GK104513903SQ201310524307
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月1日
【發(fā)明者】M·P·泰勒, J·J·J·陳, F·穆罕默德, R·J·華萊士, P·帕特爾 申請人:奧克蘭聯(lián)合服務(wù)有限公司