專利名稱：鋁電解槽廢熱利用裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁電解槽廢熱利用裝置。

背景技術(shù)：
我國電解生產(chǎn)金屬鋁過程，大多采用預(yù)焙陽極鋁電解技術(shù)，電解溫度為950℃左右，鋁電解槽的平均電能利用率為48％左右，鋁電解槽側(cè)壁溫度約300℃，槽底溫度約90℃，槽上部排氣管道約150℃的溫度，有一半以上的能量以廢熱的形式散發(fā)到環(huán)境中，造成巨大的能源浪費(fèi)，且對(duì)環(huán)境造成熱污染。而且由于廢熱利用對(duì)電解槽本身的溫度場(chǎng)分布和維持電解生產(chǎn)過程的能量平衡會(huì)造成復(fù)雜的影響，甚至?xí)沟秒娊膺^程不能正常進(jìn)行，因此，到目前為止尚無對(duì)鋁電解槽廢熱的利用的相關(guān)報(bào)道。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的所要解決的技術(shù)問題是提供一種鋁電解槽廢熱利用裝置，該裝置在維持電解槽熱平衡的基礎(chǔ)上利用廢熱產(chǎn)生電能，即首先滿足鋁電解工藝過程對(duì)鋁電解槽內(nèi)熱平衡的要求，其次再利用其散發(fā)的廢熱進(jìn)行轉(zhuǎn)化。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為 一種鋁電解槽廢熱利用裝置，其特征在于，包括熱電模塊、可控制熱能輸出的冷卻裝置、以及電池或負(fù)載，該熱電模塊的高溫端緊貼固定在電解槽外壁，低溫端接冷卻裝置，所述的熱電模塊的電壓引出端接電池或負(fù)載；所述的冷卻裝置包括與熱電模塊低溫端相接觸的金屬管，所述的金屬管內(nèi)循環(huán)通入導(dǎo)熱介質(zhì)。
所述的導(dǎo)熱介質(zhì)為阻燃絕緣油或水。通過調(diào)節(jié)導(dǎo)熱流體流量控制鋁電解槽的熱能輸出。該冷卻裝置還包括一固定在鋁電解槽外壁的溫度傳感器；一用于調(diào)節(jié)導(dǎo)熱介質(zhì)流量的調(diào)節(jié)閥；一控制器，該控制器的輸入端連接所述溫度傳感器的輸出端，該控制器的輸出端連接所述的調(diào)節(jié)閥的控制端。由上述的溫度傳感器、調(diào)節(jié)閥、充有導(dǎo)熱介質(zhì)的金屬管組成鋁電解槽外壁溫度的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
該控制器采用PID、模糊控制或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略，或者上述多種控制策略的組合，上述控制策略根據(jù)電解槽的大小、槽型以及工藝條件確定。
作為改進(jìn)，所述的熱電模塊為多個(gè)，以串聯(lián)或并聯(lián)或串聯(lián)及并聯(lián)相結(jié)合的方式相互連接。
根據(jù)鋁電解槽溫度分布的具體情況，安裝于電解槽側(cè)部的熱電模塊的高溫端工作溫度優(yōu)選為200～500℃，安裝于電解槽底部的熱電模塊的高溫端工作溫度優(yōu)選為50～150℃。
熱電模塊高溫端與低溫端優(yōu)選維持60～100℃的溫度差。
作為改進(jìn)，所述的熱電模塊和電池或負(fù)載之間串聯(lián)有穩(wěn)流裝置或穩(wěn)流裝置。
本發(fā)明所具有的有益效果有 本發(fā)明通過對(duì)電解槽廢熱的利用，能降低鋁電解過程的能源消耗，能提高鋁電解能量利用率0.5～5％，由于電解鋁是高耗能過程，因此能降低能源消耗，其意義尤為重大。現(xiàn)有的一些廢熱利用并沒有考慮到鋁電解槽的正常工作狀態(tài)下熱平衡的要求，且廢熱利用過程中，會(huì)對(duì)電解槽產(chǎn)生復(fù)雜的影響，很可能使正常的生產(chǎn)過程無法進(jìn)行。本發(fā)明充分考慮了鋁電解槽工作溫度，熱平衡條件的要求，將熱電模塊和冷卻裝置巧妙地結(jié)合，引入了鋁電解槽熱平衡控制系統(tǒng)，有利于電解槽電解溫度的控制，尤其是側(cè)部，底部溫度的控制，從而控制爐幫的厚度，形成規(guī)整的爐膛內(nèi)型，有效提高鋁電解槽的使用壽命，在利用熱能產(chǎn)生電能的過程不會(huì)對(duì)原有的鋁電解過程產(chǎn)生任何不良影響。



圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)框圖； 圖2為熱電單元示意圖；(1-導(dǎo)熱陶瓷，2-導(dǎo)電銅片組成) 圖3為熱電模塊示意圖；(3-熱電單元) 圖4為本發(fā)明的實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)圖(4-熱電模塊，5-金屬管，6-溫度傳感器，7-鋁電解槽)； 圖5為本發(fā)明的實(shí)施例的冷卻裝置的自動(dòng)控制示意圖；
具體實(shí)施例方式 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。以下實(shí)施例旨在說明本發(fā)明而不是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步限定。
本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該裝置包括熱電模塊、冷卻裝置、穩(wěn)壓或穩(wěn)流裝置以及電池或負(fù)載；熱電模塊的低溫端(即冷端)連接冷卻裝置，熱電模塊高溫端(即熱端)固定在鋁電解槽外壁上，熱電模塊將熱能轉(zhuǎn)化為電能且其電壓引出端通過所述的穩(wěn)壓或穩(wěn)流裝置向電池或負(fù)載輸出電能。
熱電模塊的工作原理每塊熱電模塊(熱電材料)如圖3所示，由幾十至幾百個(gè)熱電單元3組成，熱電單元如圖2所示，其中上下兩端各設(shè)有導(dǎo)熱陶瓷1以及導(dǎo)電銅片2，每個(gè)熱電單元由一個(gè)p型半導(dǎo)體和一個(gè)n型半導(dǎo)體組成，冷端(圖2的上端)接低溫區(qū)，熱端(圖2的下端)接高溫區(qū)，冷端p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體通過導(dǎo)體連接，熱端接外電路，當(dāng)熱端與冷端存在溫差時(shí)，則熱端的p、n半導(dǎo)體外接引線向外輸出電能，輸出電壓與溫差成正比。由于單個(gè)熱電模塊輸出電壓較低，需要通過串聯(lián)提高其輸出電壓。所使用的熱電模塊由廈門納米克熱電電子有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為TEP1-12656-0.6，或采用河南安陽市以太科技中心生產(chǎn)的產(chǎn)品，型號(hào)為TECI-03180T125。
我國目前采用的鋁電解槽多為預(yù)焙陽極鋁電解槽，由于電解槽陽極，電解質(zhì)，陰極等都存在電阻，在電解過程中，大電流通過時(shí)產(chǎn)生巨大的熱量，采用下部保溫，上部抽風(fēng)散熱的方式，維持整個(gè)電解槽的熱平衡，其正常電解溫度為950℃左右，槽底溫度為70～110℃，槽側(cè)部為200～400℃，與環(huán)境有較大的溫差。
應(yīng)用高溫端工作溫度為400℃左右的溫差發(fā)電模塊，采用粘接或螺絲固定于電解槽側(cè)部，高溫端工作溫度為100℃左右的溫差發(fā)電模塊以同樣的方式固定于電解槽底部。熱電模塊之間的間距為0.5～3cm，以泡沫水泥等絕熱材料填充。
熱電模塊低端溫度可調(diào)，低溫端以兩種冷卻裝置來冷卻，維持一定的溫度 (1)采用耐壓耐腐蝕的金屬管5，管內(nèi)通入阻燃絕緣油或水等導(dǎo)熱介質(zhì)，導(dǎo)熱介質(zhì)循環(huán)使用。
在電解槽外表面與熱電模塊4的高溫端之間固定一溫度傳感器6，應(yīng)用自動(dòng)溫度控制裝置，通過改變導(dǎo)熱介質(zhì)流量的方式，維持電解槽溫度的穩(wěn)定。如果溫度傳感器6信號(hào)顯示電解槽溫度升高，則根據(jù)測(cè)定值與設(shè)定值的差值，基于確定的PID控制規(guī)律，通過自動(dòng)控制電路控制自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，增加其閥門開度，增加傳熱介質(zhì)的流量，提高熱量的散發(fā)量，維持電解槽表面溫度在一定范圍內(nèi)(即控制鋁電解槽側(cè)壁的溫度為200～400℃，控制鋁電解槽槽底的溫度為70～110℃)，滿足鋁電解的正常溫度要求。
采用的熱電模塊為40*40*4～60*60*9mm3，當(dāng)熱端與冷端維持60～100℃的溫度差時(shí)，熱電模塊的輸出電壓為4～6V，電流為3～5A。
熱電模塊串聯(lián)提高其輸出電壓到額定要求，并聯(lián)方式達(dá)到所需直流電電流范圍。
如果將熱電模塊的輸出電流用于240kA電解槽，則采用1000個(gè)熱電模塊并聯(lián)，通過現(xiàn)有的鋁電解槽穩(wěn)流裝置向電解槽提供穩(wěn)定直流電。
另一種輸出電能方式是將輸出電壓經(jīng)市售交直流逆變電路進(jìn)行升壓或降壓，獲得穩(wěn)定的輸出電壓，儲(chǔ)存于Ni-H二次電池或其它二次電池。
熱電模塊發(fā)出的電壓為 V＝S*(T高-T低) 其中，*為乘法號(hào)，S為熱電模塊的轉(zhuǎn)換系數(shù)(即Seebeck系數(shù))，T高和T低分別為熱電模塊高溫端、低溫端的溫度。
電解槽通過熱電模塊散發(fā)熱量為 Q放＝c*m*(T高-T低) 其中，c為介質(zhì)的比熱，m為流過的導(dǎo)熱介質(zhì)的質(zhì)量，從上式可知，調(diào)節(jié)流過的導(dǎo)熱介質(zhì)的流量，即可調(diào)節(jié)散出的熱量，從而維持電解槽溫度在所控制的范圍。
實(shí)施例1 針對(duì)一臺(tái)240kA預(yù)焙陽極鋁電解槽 槽側(cè)部面積+槽底部面積為2.11*106mm2，每片熱電發(fā)電模塊40*40*4mm3，當(dāng)熱端與冷端維持60～100℃的溫度差時(shí)，熱電模塊的輸出電壓為4～6V，電流為3～5A。
以平均利用槽底槽側(cè)面積的70％，安裝2.11*106*70％/1600＝9.23*102(片)，應(yīng)用高溫端工作溫度為400℃左右的溫差發(fā)電模塊(即熱電模塊)，采用粘接或螺絲固定于電解槽側(cè)部，高溫端工作溫度為100℃左右的溫差發(fā)電模塊(熱電模塊)以同樣的方式固定于電解槽底部。熱電模塊之間的間距為0.5～3cm，以泡沫水泥等絕熱材料填充。
熱電模塊低端溫度可調(diào)，低溫端以下列方式冷卻，控制鋁電解槽的散熱量 采用耐壓耐腐蝕的金屬管，管內(nèi)通入阻燃絕緣油或水等導(dǎo)熱介質(zhì)，導(dǎo)熱介質(zhì)循環(huán)使用。
熱電模塊與鋁電解槽的安裝位置關(guān)系如圖4所示，熱電模塊4之間的間距為2cm，以泡沫水泥等絕熱材料填充，熱電模塊的正電端、負(fù)電端分別以銅或鋁為母線并聯(lián)連接。分別連接于鋁電解槽7穩(wěn)流裝置的正負(fù)接電端。熱電模塊的低溫端，與導(dǎo)熱管5緊密接觸，導(dǎo)熱管采用螺絲固定于槽殼。
在電解槽外表面?zhèn)炔俊⒌撞繜犭娔K的間隙處分別安裝溫度傳感器6，應(yīng)用自動(dòng)溫度控制裝置，通過改變導(dǎo)熱介質(zhì)流量的方式，維持電解槽溫度的穩(wěn)定。如果溫度傳感器信號(hào)顯示電解槽溫度升高，則通過自動(dòng)控制電路(控制器)控制調(diào)節(jié)閥，增加其閥門開度，增加金屬管內(nèi)導(dǎo)熱介質(zhì)的流量，增加熱量的散發(fā)量，維持電解槽表面溫度在一定范圍內(nèi)(即控制鋁電解槽側(cè)壁的溫度為200～400℃，控制鋁電解槽側(cè)壁的溫度為70～110℃)，從而滿足鋁電解的正常溫度要求。其自動(dòng)控制示意圖如圖5所示。
權(quán)利要求
1、一種鋁電解槽廢熱利用裝置，其特征在于，包括熱電模塊、可控制熱能輸出的冷卻裝置以及電池或負(fù)載，該熱電模塊的高溫端緊貼固定在電解槽外壁，低溫端接冷卻裝置，所述的熱電模塊的電壓引出端接電池或負(fù)載；所述的冷卻裝置包括與熱電模塊低溫端相接觸的金屬管，金屬管內(nèi)循環(huán)通入導(dǎo)熱介質(zhì)。
2、如權(quán)利要求1所述的鋁電解槽廢熱利用裝置，其特征在于，所述的導(dǎo)熱介質(zhì)為阻燃絕緣油或水。
3、如權(quán)利要求1所述的鋁電解槽廢熱利用裝置，其特征在于，所述的冷卻裝置還包括一固定在鋁電解槽外壁的溫度傳感器；一用于調(diào)節(jié)導(dǎo)熱介質(zhì)流量的調(diào)節(jié)閥；一控制器，該控制器的輸入端連接所述溫度傳感器的輸出端，該控制器的輸出端連接所述調(diào)節(jié)閥的控制端。
4、如權(quán)利要求3所述的鋁電解槽廢熱利用裝置，其特征在于，控制器為PID控制器、模糊控制器或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，或者綜合PID控制策略、模糊控制策略和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略的控制器。
5、如權(quán)利要求1所述的鋁電解槽廢熱利用裝置，其特征在于，所述的熱電模塊為多個(gè)，以串聯(lián)或并聯(lián)或串聯(lián)及并聯(lián)相結(jié)合的方式相互連接。
6、如權(quán)利要求1所述的鋁電解槽廢熱利用裝置，其特征在于，電解槽側(cè)部的熱電模塊的高溫端工作溫度為200～500℃，電解槽底部的熱電模塊的高溫端工作溫度為50～150℃。
7、如權(quán)利要求1所述的鋁電解槽廢熱利用裝置，其特征在于，熱電模塊高溫端與低溫端維持60～100℃的溫度差。
8、如權(quán)利要求1～7任一項(xiàng)所述的鋁電解槽廢熱利用裝置，其特征在于，所述的熱電模塊和電池或負(fù)載之間串聯(lián)有穩(wěn)流裝置或穩(wěn)流裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋁電解槽廢熱利用裝置，其特征在于，包括熱電模塊和冷卻裝置以及電池或負(fù)載，該熱電模塊的高溫端緊貼固定在電解槽外壁，低溫端接冷卻裝置，所述的熱電模塊的電壓引出端接電池或負(fù)載；所述的熱電模塊為多個(gè)，以串聯(lián)、并聯(lián)或串聯(lián)及并聯(lián)相結(jié)合的方式相互連接。該鋁電解槽廢熱利用裝置能降低鋁電解過程的能源消耗，提高鋁電解能量利用率0.5～5％，且本發(fā)明由于引入了鋁電解槽熱平衡控制系統(tǒng)，在利用熱能產(chǎn)生電能的過程中不會(huì)影響原有的鋁電解生產(chǎn)過程。
文檔編號(hào)G05D23/19GK101610048SQ20081003150
公開日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2008年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月16日
發(fā)明者肖忠良, 劉憲鋒, 汪奕醒, 忠 曹, 湛雪輝 申請(qǐng)人:湖南晟通科技集團(tuán)有限公司