CN101305114A - 带有热交换器的电解锅 - Google Patents

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CN101305114A CNA2006800422825A CN200680042282A CN101305114A CN 101305114 A CN101305114 A CN 101305114A CN A2006800422825 A CNA2006800422825 A CN A2006800422825A CN 200680042282 A CN200680042282 A CN 200680042282A CN 101305114 A CN101305114 A CN 101305114A
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Abstract

本发明涉及用于炼铝的电解槽。围绕坩埚(4，4’)的锅的侧壁(8)在它们的高度和/或它们的厚度上的至少一部分上由多孔材料制成的部件(13)组成，该多孔材料制成的部件(13)能够使得传热气体循环，该由多孔材料制成的部件(13)连接到传热气体入口装置(15)和出口装置(16)上，从而形成热交换器以回收在锅的侧壁所损失的热能。

Description

带有热交换器的电解锅
本发明涉及电解槽的技术领域，尤其涉及用于工业炼铝所使用的电解方法中所使用的槽。
更具体地，本发明涉及一种电解槽的锅的侧壁的设备，该设备用于回收通过该锅的侧面与传热流体的热交换而在该锅的侧面上损失的热能，同时保护和保持锅的侧面以及改善该锅的工作条件。
国际专利申请WO 2004/083489 A1描述了一种用于炼铝的电解槽，其中该锅设有侧栏(bordure)板，该侧栏板被设置以用于通过气体或液体传热流体的循环来回收热能。传热流体通过内部的通道(canal)循环，这些通道在侧栏板体内以“蛇管”型的路径布置，同时不透气腔室通过在制造和装配侧板时的各种方式获得，所获得的内部形状通过铸造以及在烧结时去除含碳树脂元件来获得。传热流体通过被粘合到侧壁材料上的陶瓷管或连接器被导入和抽取。
对于在组成该侧栏板的材料中形成的腔体，或者对于板供应管之间的接合处，尤其是由于部件的烧结是通过材料的大量收缩来实现的，并且靠近腔体的残余孔隙会引起泄露，由此制成的传热流体管路(circuit)的密封性是复杂的，并且难以通过所描述的方式来获得。
同样涉及用于炼铝的电解槽的文本WO 87/00211是基于通过气体管路的复杂系统来控制电解池的温度，该气体管路的复杂系统设置在冷却腔室内，该冷却腔室不只布置在锅的侧壁内，而且也布置在阳极内以及在该锅的底部的耐火材料内，传热气体优选是氦。该控制冷却系统用于最小化绝热耐火材料的厚度以及用于回收热能。此系统在实施和运行中都是非常昂贵的。
专利US 4222841描述了一种在电解池上方的管式热交换器，由于使用了利用耐火或含碳板的绝热，将电解池和热交换器分隔开以防止形成硬壳。没有给出制造热交换器所用材料的详细信息，该材料在高温下尤其易受到氟化腐蚀。此文本也描述了在包含该池的锅的侧壁和底部的管式热交换器，同样也没有给出该交换器的结构和制造材料的进一步的信息。
最后，文本WO 01/94667描述了：在用于炼铝的电解锅内，放置通过厚的耐火材料与外侧壳体(caisson)绝热的冷却侧板来替代常规侧栏板。每一侧板通过液态的金属或合金诸如锌、钠或钠-锂合金等的蒸发来冷却。该板蒸发腔室置于一个通过传热气体的循环来冷却的冷凝室之下。该种装置是复杂的并且产生了明显的安全问题。此外，该耐火材料会被与其接触的液相或气相的金属或合金腐蚀。
面对此技术现状，本发明的目的在于提供一种用于电解锅的侧壁的新的和有利的设计，该侧壁除了围绕坩埚(creuset)的侧栏的功能之外，还具有形成热交换器来回收由该锅的侧面损失的热能——带有大的热交换表面面积——以及控制凝固的池液的槽帮结壳(talus)的厚度，该槽帮结壳保护该锅侧面材料不受液态铝或者熔融盐池腐蚀，所提出的方案力图简单，因而是经济的，同时保证安全，并且具有高的热能回收效率，还具有对该能量回收的调节。
为此，本发明的目的是一种可被用于炼铝的电解锅，包括：设有热交换器的侧壁，传热气体可以流经该热交换器，其特征在于，该锅的侧壁在它们的高度和它们的厚度的至少一部分上，包括至少一个由多孔材料制成的部件，以使得传热气体能够循环，同时该或每一个由多孔材料制成的部件连接到传热气体入口装置和出口装置上。
因此根据本发明，电解锅的侧壁包括在其中发生所需要的热交换的多孔部件。这些具有开孔的多孔部件具有高的孔隙率，以使得这些孔的数量和尺寸分布使得传热气体能够传输而在入口点和出口点或抽取点之间不会有过大的压头损失，气体循环优选地通过来自抽取侧的抽吸来控制。
在一个简单的实施方案中，多孔材料在该多孔部件的整个高度和宽度上可以具有同质的特性。但是，根据一个有利的变体，多孔材料在多孔部件的高度上具有不同的特性，尤其是具有不同的孔隙率、厚度和/或导热率，从而在高度的方向上获得具有不同热交换性能的多个连续区域。因此可以通过逐渐变化的梯度，或者通过在高度方向上再分成连续的具有不同特性(例如孔隙率和/或厚度)的区域来优化多孔材料，其中选择所述不同特性以获得对于相应的传热空气流的需用功率。锅的侧壁也可以包括至少一个管道，该管道能够使得传热气体沿着优选的路径循环，特别地朝向多孔部件的底部循环和/或从多孔部件的顶部循环。
多孔部件可以由一个或多个多孔板制成，每一个板具有由多孔材料制成的单片式结构。
根据本发明的一个实施方案，电解锅的侧壁包括至少一个位于这些侧壁内侧的由致密材料制成的第一部件，以及至少一个至少部分由多孔材料制成的第二部件，该第二部件位于该第一部件和锅的外部壳体之间，即位于面向锅的外部壳体的这些壁的外侧。
由致密材料制成的第一部件典型地与带有倾斜边棱的侧栏接触，该侧栏与阳极块组成阳极坩埚。可以将接触材料插入所述第一部件和侧栏之间，以减少在此接触面的热阻。在运行过程中，所述第一部件可能与凝固的电解池的槽帮结壳的上部接触。此处热交换在侧壁的外侧上的由多孔材料制成的部件内进行。
由致密材料制成的部件也可以由一个或多个单片式结构的板形成。根据一个变体，该由致密材料制成的部件可以通过装配连接到该由多孔材料制成的部件上。这些壁的两个部件，即由致密材料制成的内部部件和由多孔材料制成的外部部件，可以通过耐火材料、或者通过用于所涉及的材料的标准胶合剂(colle)、或者通过用于此应用的特殊的胶合剂装配在一起，所述耐火材料是诸如水泥，典型地是耐火水泥浆的形式。
代替将两种不同的材料装配在一起，该两种材料在锅的侧壁的厚度方向上连续，本发明的一个变体提供了，电解锅的侧壁包括由单片式板形成的结构，该单片式板由在所述侧壁的厚度方向上具有不同孔隙率的材料制成。
这些板可以形成单独的热交换装置。
多孔部件可以通过一种方法获得，该方法包括：制备包括一种或多种具有开孔的聚合物泡沫的多孔聚合物体，制备陶瓷母体的悬浮液，用此悬浮液浸渍该多孔体，干燥浸渍的悬浮液，焙烧该多孔体以燃烧有机成分以及烧结该多孔体。美国专利US 5 039 340描述了这一方法。通过形成包括具有不同孔隙率的泡沫或者包括两个或多个具有不同孔隙率的不同多孔泡沫叠合的初始体，可以获得具有不同孔隙率的材料。通过陶瓷母体的铸造、振动压实和挤压形成致密部分，以及通过将因此获得的致密体与如上所述的一种或多种多孔体组合，典型地在将它们用陶瓷母体浸渍之后，优选地在将该致密体和该多孔体组合在一起之后进行焙烧和烧结，可以获得包括由致密材料制成一部分以及由多孔材料制成一部分的板。
所使用的多孔材料可以由金属或金属合金、导热陶瓷或这些材料混合或组合制成，并且典型地呈泡沫的形式。优选地，金属或金属合金具有超过800℃的熔点，并且在250℃的温度以上抗氧化，类似于镍基合金(即包含以重量计多于50％的镍)。所述金属或金属合金优选地具有小于25×10-6K-1的热膨胀系数，例如包含镍、铬、钼和钨的Inconel
Figure A20068004228200101
686。陶瓷的固有导热率优选地大于5W/m.K，更优选地甚至大于20W/m.K。为了提高在致密材料和多孔材料之间的热膨胀相容性，多孔材料有利地是一种泡沫，该泡沫主要(主要意味着以重量计多于50％)包含碳化硅(SiC)、氮化硅和/或氮化铝，该碳化硅(SiC)、氮化硅和/或氮化铝就本发明来说是热交换材料。在此情况下，多孔材料优选地包括以重量计至少70％的导热陶瓷，优选地以重量计85％的导热陶瓷，例如剩余物可以是诸如硅酸盐或氮氧物的氧化型矿物粘合剂。
多孔材料具有大于70％的孔隙率，优选地具有大于80％的孔隙率(孔隙率此处被定义为是空隙比)。
考虑到侧壁包括由致密材料制成的第一部件和由多孔材料制成的第二部件的更具体的情况，优选地，由致密材料制成的部件具有小于20％的孔隙率。致密材料优选地是包含以重量计至少70％的碳化硅(SiC)的陶瓷材料，并且更优选地是包含以重量计至少85％的碳化硅(SiC)的陶瓷材料。
结合在锅的侧壁的厚度方向上的分布，作为热交换源的由多孔材料制成的部件可以存在于这些壁的整个高度或者部分高度上。
根据第一种可能，由多孔材料制成的部件基本在锅的侧壁的整个高度上延伸，以使得由电解所产生的受控的热量可以在延伸的表面区域上被提取。
根据另一种可能，由多孔材料制成的部件在锅的侧壁的总高度上的有限部分上延伸，特别地在该锅的侧壁的高度的大约三分之一至二分之一的部分上延伸，以便面向该有限的且有意选择的区域集中热交换并且从而提取热通量，例如在液态铝层和熔融盐池之间的接触面，即通常所说的关于槽帮结壳稳定性的临界区域。
传热气体入口装置和出口装置特别地可以位于由多孔材料制成的该或每一个部件的顶部和底部，从而位于锅的侧壁的顶部和底部，尤其是在多孔区域在侧壁的基本整个高度上延伸的情况下。
但是，特别地在由多孔材料制成的部件在高度方向上被分成具有不同热交换特性的连续的多个区域的情况下，随着在这些不同区域内的热交换需求变化，有利地提供，位于中间高度的、特别地位于两个连续的区域之间的过渡区的传热气体的至少一个附加入口或一个附加出口。
传热气体入口装置和出口装置也可以沿着该锅的侧壁的由多孔材料制成的部件的水平尺寸分布，特别地通过将该入口和出口布置在由多孔材料制成的部件的两个水平相对端上。这特别适用于由多孔材料制成的长部件的情况下，以获得在所述由多孔材料制成的部件的整个长度上的尽可能均匀的热交换。
在此方面，应该注意到，由多孔材料制成的部件可以在比板长很多的区域上延伸(例如当该多孔部件通过将两个或多个由多孔材料制成的板装配形成时)。在这些情况下，在板之间的结合部被制成使得传热气体能够在相邻的板内的各自多孔区域之间流动。结合部粘合剂可以是水泥，耐火水泥浆或者适当的胶合剂。传热气体入口和出口的数量从而被限制。
优选地，传热气体入口具有位于高于锅内的液面高度的高度的孔，即入口孔位于壳体的侧面的顶部或者围绕壳体顶部的周边，或者如果实际入口由于技术原因位于锅的底部，这些入口通过朝上的管延伸并且使得它们的孔在高于锅内液面高度的高度上，以避免在锅的外部壳体外侧的热液体流，尤其是在不同的热交换装置局部失效的情况下当多孔区域基本在锅的侧壁的整个高度上——以及由此在壳体的整个高度上——延伸时。
对于传热气体出口，更具体地对于通过抽吸排出该气体，有利地，至少一个侧歧管被设置为连接到若干传热气体出口。优选地，电解锅的每一侧配备有至少一个歧管，所有的歧管连接到一个共同的抽吸单元。锅的两个长侧可以各设有两个平行的歧管。
不考虑传热气体入口孔和出口孔的位置，有利地，这些孔的全部或者这些孔中的某些孔的贯穿横截面被制成可以通过调节器调节。这些调节器可以在低温时——电解锅投入运行之前——随着锅的设计的局部特性的变化被预先设定。优选地，歧管被设计和制造以使得在调整上述调节器之前，在被连接到这些调节器的、在锅内的所有单个热交换器装置内可以获得对于抽吸的等效压头损失，从而获得每单位体积的稳定热流，其中传热气体穿过所述歧管被抽吸。
传热气体可以是空气或者惰性气体——典型地是氮气、氦气或氩气——或者是空气和惰性气体的混合。
如果空气被用作传热气体，空气入口可以对于周围的大气是打开的，更具体的通向位于相邻的锅之间的空间，并且在此情况下只有空气出口连接到抽吸歧管。空气入口因此由具有适当形状和尺寸的单个孔组成，该空气入口通过低压操作来供给热交换装置，即供给由多孔材料制成的部件。
但是，在另一其中将空气用作传热气体的优选实施方案中，例如通过一个外部热交换器，该空气被循环以提高进入该多孔区域的入口的温度，并且由此提高了来自该多孔区域的出口温度，从而提高了所回收的能量的使用效率。在此情况下，设置了分配网来将在出口孔排出的空气运送到入口孔。此分配网的设计确保了在锅的所有空气入口孔压头损失都是相同的，以获得均匀的运行。
类似地，在传热气体包含惰性气体的情况下，由于惰性气体的价值将它再循环是有利的。
最后，如果设置了分配网，那么没有将传热气体循环并且因此具有位于锅之间的进气口的实施方案，可以利用进入该分配网的直接空气入口阀，与具有空气循环的生产模式组合，这些阀可位于分配网的不同点上，优选地与将分配网的不同部分彼此隔离的隔离阀结合。此“组合的”模式具有的优势在于，它能够在分配网上起作用，以及可以暂时克服在气体循环系统的“上游”部分的失效，或者可以补偿在管路中的空气漏失。
有利地，在由多孔材料制成的部件和锅的壳体之间也设置了绝热材料，更准确地首先在由多孔材料制成的部件的外侧面和其次锅的壳体的内侧面之间也设置了绝热材料。该层绝热材料限制了热损失，这能够改善能量回收。绝热材料有利地是一种纤维材料，该纤维材料通过吸收锅的任意热膨胀，尤其是当电解槽投入使用时该锅的温度上升的过程中吸收锅的任意热膨胀，能够充当保护侧栏板的可变形缓冲。该绝热材料典型地形成基本竖直的层，该基本竖直的层的厚度在10mm至100mm范围内，优选地在15mm至50mm范围内。
优选地，传热气体通过抽吸，并且因此通过低压穿过热交换装置移动，因此如果该装置失效，将不会将传热气体吹入锅的结构、侧栏块、锅的底部或者液相材料中。通过将电解槽连接到抽吸系统可以使用本发明的此变体，该抽吸系统能够通过在该或每一个由多孔材料制成的部件内的低压循环传热气体。
最后，本发明的另一目的是一种工业炼铝设备，包括多个如上所述的电解锅，这些电解锅通过歧管连接到传热气体管路中，该气体管路被导向能量回收装置，该能量回收装置包括至少一个外部热交换器和/或至少一个发电机。
被本发明作为整体提出的热交换器系统具有以下优点：
——该热交换器系统非常易于制造，这使得它经济和可靠，
——由于它被尽可能近地靠近热能源定位，该系统能够优化该能量的回收；由于该能量的再利用在高温下进行，因此该能量的再利用是最佳的；
——使用本发明不需要对电解锅的结构进行重新设计，这有助于简化和实现现有锅的改装；
——能量回收是易于随着传热气体的入口温度以及其流动的变化被调节，因此这能够随着生产需要或者电能可用程度的变化参与电解锅的作用强度的调节。该热交换器系统用于抽出所有的或者部分的相对于规定的运行点的超出能量；
——本发明能够提高对于凝固的电解池的槽帮结壳的厚度的控制精度，该槽帮结壳保护制成锅的侧壁所用的材料不受液态铝及熔融盐池的腐蚀。这连同以上的几点能够开发出新的电解锅，该电解锅具有明显改进的单位功率，以及具有相同或者更好的能量平衡，能够调节锅的强度而不会打乱锅的热平衡。
借助于参照附图的以下说明，将更好地理解本发明，所述附图示出了用作实施例的此电解槽的多种实施方案，该电解槽带有锅，该锅的侧壁设有热交换器：
图1是根据本发明的电解槽的竖直局部截面图；
图2是与图1中右部相对应的局部截面图，示出了该电解槽的第一变体；
图3是类似于图2的视图，示出了第二变体；
图4至9是类似于前面视图的视图，还示出了本发明的电解槽的其它变体；
图10是沿着图11中X-X的竖直截面图，该图11是根据本发明的电解槽的另一实施方案；
图11示出了图10中的电解槽的从上面看的局部的俯视图；
图12描绘了本发明的一个有利变体的模块化组件；
图13是示出了从根据本发明的电解槽回收热量的方法的简图。
如图1示出，在以氧化铝为原料来炼铝中所使用的电解锅22，通常包括：
——由钢制成的外部壳体2，
——由耐火材料制成的基底炉衬3，
——用于被阴极化的坩埚40，该坩埚40完全或部分地由阴极块4和侧栏4’形成，该侧栏4’一般由含碳材料制成的侧栏块形成，
——进入阴极的电流入口，该电流经过贯穿壳体2并且被密封到阴极块4的水平钢条，
——锅侧壁8，其在下文中被详细描述。
电解槽23通过将锅22和在上部分内的一个或多个碳阳极6进行装配来形成，所述碳阳极6置于坩埚之上并且通过阳极复脚(multipode)7连接到电流入口。
在使用中，坩埚40包括液态铝层9，在该液态铝层以上是基于冰晶石的熔融的电解池10，每一个阳极6浸入该电解池内。由液态铝层9和电解池10形成的组件由被称为“槽帮结壳”11的固化的池区域围绕，该槽帮结壳靠近侧壁8并且接触坩埚40的侧栏块4’。
从上面看，电解锅具有大致矩形的形状，具有两个长边和两个短边。
一个电解槽通常与其它成排布置的类似的电解槽连接，在这些电解槽的锅之间具有自由空间(因而充满空气)。
如图1中的右部分所示，根据本发明，电解锅的侧壁8沿着它们的厚度方向被分成至少两个相邻的部件。位于内侧并且因而与侧栏块4’(并且可能是槽帮结壳11)接触的第一部件12，该第一部件由致密耐火材料制成，该致密耐火材料尽可能不透气，并尤其呈多个基于碳化硅(SiC)的板的形式。
位于外侧并且因而面向壳体2的内面的第二部件，此处几乎在其整个高度上由多孔材料13组成。该多孔材料，典型地是泡沫(优选地是碳化硅泡沫)，具有适当的孔隙率，典型地在10ppi至90ppi的范围内(即大约在4至36孔/厘米的范围内)，优选地在20ppi至70ppi的范围内(即大约在8至28孔/厘米的范围内)，从而在保持高热交换能力的同时提供了低压头损失。
致密部件12的厚度可以在10mm至100mm的范围内，优选地在30mm至50mm的范围内，而由多孔材料制成的部件13的厚度是在5mm至50mm的范围内，优选地在10mm至25mm的范围内，典型地在15mm至25mm的范围内。这两个部件12和13在它们的接触面14处通过为悬浮液或糊的形式的特殊的胶合剂来装配，该特殊的胶合剂包含平均粒度小于250μm的矿物填料和硅树脂的混合物。在悬浮液的情况下，混合物可能包括用于溶解树脂和组成流体悬浮液的溶剂。国际申请WO03/033435和WO 03/033436描述了可能的胶合剂。
可将绝热纤维材料(未示出)插在壳体和多孔部件之间，从而减小朝向壳体的热损失，以回收该热。该绝热材料也可被压缩在由多孔材料制成的部件13的外壁和壳体2的内面之间。
在图1中，该由多孔材料制成的部件13用于允许空气从下到上通过，空气通过位于侧壁8底部的空气入口孔15进入，并通过位于侧壁8的顶部的空气出口孔16被抽取。
在图1所示的情况下没有循环的空气，尤其是在锅之间的自由空间内的空气，被抽出该锅外，并且沿着箭头F1的方向通过低压进入空气入口孔15。通过空气出口孔16抽取的空气，沿着箭头F2的方向穿过连接到该空气出口孔16的管17并到达横向歧管18，该横向歧管沿着该锅的一侧水平延伸并且自身连接到抽吸单元(未示出)。相同的歧管18因此容纳自若干类似的热交换器抽取的空气流，所述热交换器沿着锅的侧壁8彼此连续。
由此形成的流经热交换器的空气回收锅内所释放的热能，并且将该热能输送至锅的外部。通过锅的侧壁8排出的热通量范围典型地在1至35kw/m2的范围内变化。
空气出口孔16有利地设有用于调节空气出口横截面的调节器19。
根据图2(在图2中对应的元件用相同的标记示出)中示出的翻转的布置，空气入口孔15位于侧壁8的顶部，而空气出口孔16位于侧壁8的底部。
图3示出了类似于图1的实施方案，但是其中由多孔材料制成的部件13沿着高度的方向被分成两个连续的局部多孔区域13a和13b。更具体的，下局部区域13a具有较高孔隙率，而上局部区域13b具有有助于更急速的热交换的较低孔隙率，该局部区域13b优选地位于与液态铝层9和电解池10基本相同的高度。此处，空气依次流经下局部区域13a然后流经上局部区域13b。在一个未示出的变体中，空气入口位于侧壁的顶部，在该情况下空气首先流经上局部区域13b然后流经下局部区域13a。
图4示出了另一个变体，其中由多孔材料制成的部件13在其高度方向上被分成三个连续的局部多孔区域，即下局部区域13c，中间局部区域13d和上局部区域13e。
图5还示出了又一个变体，该变体类似于图3的实施方案，但包括附加空气入口孔20，该附加空气入口孔位于在下局部多孔区域13a和上局部多孔区域13b之间的过渡处。如箭头F3所示，附加的空气流由于低压被允许进入该附加空气入口孔20，此空气流被加入上局部区域13b的内部，穿过下入口孔15进入空气流入口。
相反地，也可以如图6所示采用单个空气入口孔15，而采用多个空气出口；在此情况下，不同的空气出口孔16a、16b和16c位于侧壁8上的不同高度，各自具有它们的调节器19a、19b和19c，并且都连接到相同的侧歧管18，该侧歧管自身连接到抽吸单元。
分布在侧壁8的高度上的空气入口和出口的其它组合也是可能的，上文所详细描述的实施方案只是示例。
图7示出了另一个实施方案，其中由组成热交换器的多孔材料制成的部件13仅仅在电解锅的侧壁8的总高度的一部分上延伸，例如在这些侧壁的高度的大约一半上延伸，在图7中与上文所描述元件对应的元件也用相同的标记示出。特别地，此处，由多孔材料制成的部件3存在于这些壁的该高度的上半部分，以使得它也位于与液态铝层9和电解池10相同的高度。空气入口孔15因此位于侧壁8的高度的大约一半，而空气出口孔16位于所述顶部。明显地，如同上述的实例，此处可以倒转空气入口和空气出口的位置。
如图8所示，同样对于只在侧壁8的高度的一部分上延伸的由多孔材料制成的部件13，此由多孔材料制成的部件仍然可被分成两个或多个局部区域，在此实例中被分成具有不同孔隙率的上局部区域13a和下局部区域13b。可以在该两个局部多孔区域13a和13b之间的接合处设置附加空气入口或出口。
由多孔材料制成的部件13的高度可以被进一步降低，例如如图9所示只是锅的侧壁8的总高度的三分之一。
在以上参照图1至9描述的所有实施方案中，空气入口孔和空气出口孔被分布在锅的侧壁8的高度上，与它们的数量无关。
在图10和11中所示的另一类型的实施方案中，入口孔15和出口孔16在由多孔材料制成的连续部件13的两个水平相对端部上位于相同的高度，入口孔15和出口孔16水平延伸。如图11更具体所示，每一个由多孔材料制成的部件13沿着组成侧壁8的若干相邻的板12水平延伸。每一个由多孔材料制成的部件13因此大大长于板12以及在壳体2的托架21之间的空间。如上文所描述的，出口孔16连接到沿着电解锅侧面延伸的歧管18。
在未示出的一个来自前述实施方案的变体中，多个由多孔材料制成的部件被连接到一起，以在电解锅的周边上形成交替有入口孔和出口孔的连续的带。
在所有的情况下，为了推动在由多孔材料制成的部件13内的空气或其它传热气体的循环，可以通过浸渍或者填塞来密封这些部件的侧表面或端表面，从而防止空气或气体的泄漏或者损失。
图12示出了根据本发明的一个特别有利的实施方案的具有多孔截面的模块化组件。该图示出了两个相邻的模块30，该两个模块在(A)中沿着图12(B)中截面A-A、在(B)中沿着在图12(A)中的截面B-B和B’-B’、在(C)中沿着在图12(A)中的截面C-C可以看到。在此实施方案中，这些模块30是组合的并且具有用于在热交换器底部的第一侧31和用于在热交换器顶部的第二侧32。
这些模块包括能够使得传热气体沿着优选路径循环的至少一个第一多孔分段13a、一个第二多孔分段13b以及内部管道51、52、53。优选地，入口点15和出口点16位于在热交换器的上部的模块30的一部分内。所述第一和第二多孔分段13a、13b可以是彼此相邻放置的不同的板，或者是同一多孔板的各部分。
在所示的实例中，模块30设有：向下的管道51，用于引导传热气流朝向第一多孔分段13a的下部；第一水平管道52，用于沿着第一多孔分段13a分布传热气流；以及第二水平管道53，用于收集来自第二多孔分段13b的传热气体。所述管道51、52、53的壁43、44、46、45可以通过模制或者借助于胶合剂或耐火水泥填塞多孔表面，借助于诸如管子的金属或者陶瓷元件形成。
第一多孔分段13a具有第一孔隙率，具体地，每单位长度具有第一数量的孔。第二多孔分段13b具有第二孔隙率，具体地，每单位长度具有第二数量的孔。每单位长度的孔数通常表示为ppi或者孔每厘米。
这些组合模块具有的优点在于，它们有助于传热气体基本竖直和均匀的循环速度，以避免形成不利于固化的电解池槽帮结壳的形状的沿着锅壁的热梯度。
这些组合模块30有利地包括由导热材料、典型地例如上文所定义的致密陶瓷材料制成的支撑板12，该支撑板12将位于锅的内侧，典型地与侧栏4’接触。这些组合模块30还可包括绝热材料层29，该绝热材料典型地是纤维，该绝热材料层用于定位在锅的外侧，典型地与壳体2的内表面接触。
这些组合模块可被彼此邻接放置，以使得将通常较冷的入口15靠近通常较热的出口16放置，这有助于通过相互补偿、特别地通过可能使用的导热支撑板12使得温度更均匀。
第一多孔分段13a有利地被定位在运行时在锅内的液态铝9和液态电解池10之间的接触面的平均高度上，从而由于更高的孔隙率以及由于所有或者部分直接来源自入口15的传热气体的到达第一多孔分段13a的管道，能够实现更好的热交换。
在其中液态铝9和液态电解池10之间的接触面的高度在第一多孔分段13a处的情况下，第一孔隙率优选地大于第二孔隙率。例如，在此情况下，每单位长度的第一数量的孔典型地在50ppi至70ppi的范围内，每单位长度的第二数量的孔典型地在30ppi至50ppi的范围内。
图12中示出的组合模块30可以通过以下方法获得，该方法包括：
——提供由导热陶瓷材料制成的支撑板12；
——提供第一多孔板13a和第二多孔板13b，或者提供具有第一多孔部分13a和第二多孔部分13b的多孔板；
——可选地，提供绝热材料29；
——将所述多孔板胶合到支撑板12上，从而将孔填塞以形成密封表面41并且在它们的接触面14上形成有效的热接触，也就是说在支撑板的确定表面和所述多孔板的确定表面之间形成有效热接触；
——如果需要，将绝热材料29胶合到所述多孔板相对的表面上，从而将孔填塞并且形成密封表面42；
——将所述多孔板的侧边44、47密封填塞以将它们部分或全部密封；
——形成管道51、52、53。
所述胶合和填塞操作可以借助于如上所述的耐火粘合剂来进行。
最后，图13非常概略地并且作为实例示出了在如上所述的多个电解锅中回收热能的回收方式。来自于工业炼铝设备的不同槽23，尤其是在侧歧管18内回收的空气或传热气体，直接导入抽吸单元然后进入将它输送至外部热交换器25的管路24，该外部热交换器25用于加热应用或者用于产生电力，该电力可被用于本身消耗电力的设备的锅内。通过将锅产生的热排出电解室外，这一布置也可以用于降低电解室内的环境温度。
已经对由陶瓷多孔材料制成的板进行了试验，以评估根据本发明的材料的可能的热交换能力。热交换器通过将一个25mm厚的多孔陶瓷泡沫板粘合到一个40mm厚的基于与氮化硅结合的碳化硅的致密材料板来制造，其中该多孔陶瓷泡沫板由具有20ppi的孔隙率(8孔/厘米)的具有88％的孔隙体积的碳化硅制成。该多孔板的有效热传导率在0.5至1W.m-1.K-1的范围内。所述胶合剂是耐火水泥浆。该热交换器被放置在炉子的入口以通过一个金属框架来代替门。热交换器装置通过围绕该框架的纤维材料隔离。热电偶能够量化在多孔区域内的热交换，该热电偶位于不同的位置，特别地位于传热流体的入口和出口。朝向炉子的裸露表面是400平方厘米。
在该系列的试验过程中，炉子被加热到一固定温度，然后被保持在该温度，利用流量计来控制在该交换器内循环的空气流。
表I示出了加热的空气出口温度和通过该交换器回收的热通量，该热通量随着传热流体——也就是空气——的流动而变化。这些试验显示了当冷却空气流增大时，在出口的空气温度降低并且回收的热流增加。
表I
  空气流(Nm3/H)   入口空气温度(℃)   出口空气温度(℃)   回收的热通量(kw/m2)
  2.6   20   555   9.1
  5   20   467   14.0
  8   20   387   24.9
  10   20   328   26.2
  13   20   264   26.9
  15   20   237   27.6
  18   20   215   29.8
本发明计算出，对于类似的密度，在最高达大约60ppi的多孔介质中，孔的数量的增加不会明显增大压头损失，但是它的确增大了与传热气体的热交换表面的面积。
明显地，本发明不限于上文作为实例所描述的该电解锅的实施方案；相反地，包括涉及该同一原理的所有变体。因此，特别地，可以不背离本发明的范围改变材料的种类，尤其是改变制造热交换器所使用的材料的种类，这些材料可以是金属或者复合材料(例如碳化硅和金属的复合材料)。类似地，可以不背离本发明的范围改变与多孔部分或区域的空气或传热气体的入口孔和出口孔的数量和位置。最后，有很多种对所回收的热能进行使用和/或转换的方法。

Claims (46)

1.一种用于炼铝的电解锅(22)，包括：设有热交换器的侧壁(8)，传热气体可以流经该热交换器，其特征在于，该锅的侧壁(8)在它们的高度和它们的厚度的至少一部分上，包括至少一个由多孔材料制成的部件(13)，以使得传热气体能够循环，该或每一个由多孔材料制成的部件(13)连接到传热气体入口装置(15)和出口装置(16)上。
2.根据权利要求1的电解锅，其特征在于，该多孔材料(13)呈泡沫的形式。
3.根据权利要求1或2中的任一项的电解锅，其特征在于，该多孔材料(13)由选自金属、金属合金和固有导热性大于5W/m.K的陶瓷，以及这些材料的混合或组合中的材料制成。
4.根据权利要求3的电解锅，其特征在于，所述陶瓷主要包含碳化硅、氮化硅和/或氮化铝。
5.根据权利要求3或4中的任一项的电解锅，其特征在于，该多孔材料(13)是包含以重量计至少70％的导热陶瓷的陶瓷泡沫。
6.根据权利要求3的电解锅，其特征在于，所述金属或金属合金具有小于25×10-6K-1的热膨胀系数。
7.根据权利要求1至6中的任一项的电解锅，其特征在于，该由多孔材料制成的部件(13)具有大于70％的孔隙率。
8.根据权利要求1至7中的任一项的电解锅，其特征在于，该由多孔材料制成的部件(13)由一个或多个多孔板形成。
9.根据权利要求1至8中的任一项的电解锅，其特征在于，该由多孔材料制成的部件(13)的厚度是在5mm至50mm的范围内。
10.根据权利要求1至9中的任一项的电解锅，其特征在于，该锅的侧壁(8)包括至少一个位于这些侧壁(8)内侧的由致密材料制成的部件(12)，以及至少一个至少部分由多孔材料制成的第二部件(13)，该第二部件位于该第一部件(12)和该锅的外部壳体(2)之间。
11.根据权利要求10的电解锅，其特征在于，该致密材料是包含以重量计至少70％的碳化硅的陶瓷材料。
12.根据权利要求10至11中的任一项的电解锅，其特征在于，该由致密材料制成的部件(12)的孔隙率小于20％。
13.根据权利要求10至12中的任一项的电解锅，其特征在于，该侧壁(8)的第一和第二部件，即该由致密材料制成的内部部件(12)和由多孔材料制成的外部部件(13)，通过耐火材料(14)被装配在一起。
14.根据权利要求13的电解锅，其特征在于，侧壁的该第一和第二部件通过为悬浮液形式的胶合剂来装配，该胶合剂包含平均粒度小于250μm的矿物填料、硅树脂和用于溶解该树脂并且控制悬浮液的流变能力的有机溶剂的混合物。
15.根据权利要求10至14中的任一项的电解锅，其特征在于，该由致密材料制成的部件(12)由一个或多个单片式结构的板形成。
16.根据权利要求10至14中的任一项的电解锅，其特征在于，该锅的侧壁(8)包括由单片式板形成的结构，该单片式板由在所述侧壁(8)的厚度方向上具有不同孔隙率的材料制成。
17.根据权利要求10至16中的任一项的电解锅，其特征在于，该致密部件(12)的厚度在10mm至100mm的范围内。
18.根据权利要求1至17中的任一项的电解锅，其特征在于，所述由多孔材料制成的部件(13)基本在该锅的侧壁(8)的整个高度上延伸。
19.根据权利要求1至18中的任一项的电解锅，其特征在于，所述由多孔材料制成的部件(13)基本在该锅的侧壁(8)的总高度上的有限部分上延伸。
20.根据权利要求19的电解锅，其特征在于，所述由多孔材料制成的部件(13)在该锅的侧壁(8)的高度的大约三分之一至二分之一的部分上延伸。
21.根据权利要求19或20中的任一项的电解锅，其特征在于，所述由多孔材料制成的部件(13)与在液态铝层(9)和熔融盐池(10)之间的接触面交叠。
22.根据权利要求1至21中的任一项的电解锅，其特征在于，该多孔材料(13)在该多孔部件(13)高度上具有不同的特性，尤其是具有不同的孔隙率、厚度和/或导热率，从而在高度的方向上获得具有不同热交换性能的多个连续区域(13a、13b；13c，13d，13e)。
23.根据权利要求1至22中的任一项的电解锅，其特征在于，该传热气体入口装置(15)和出口装置(16)定位在该或每一个由多孔材料制成的部件(13)的顶部和底部。
24.根据权利要求23的电解锅，其特征在于，该传热气体入口装置(15)和出口装置(16)位于该锅的侧壁(8)的顶部和底部。
25.根据权利要求22和23中的任一项的电解锅，其特征在于，它还包括位于中间高度的传热气体的至少一个附加入口(20)和一个附加出口(16a，16b)。
26.根据权利要求25的电解锅，其特征在于，该传热气体的附加入口(20)和/或附加出口(16a，16b)位于在两个连续的区域(13a，13b；13c，13d，13e)之间的过渡区。
27.根据权利要求1至26中的任一项的电解锅，其特征在于，该传热气体入口装置和出口装置在该锅的侧壁(8)的由多孔材料制成的部件(13)的水平尺寸上分布。
28.根据权利要求27的电解锅，其特征在于，该入口(15)和出口(16)布置在由多孔材料制成的部件(13)的两个水平相对端上。
29.根据权利要求1至28中的任一项的电解锅，其特征在于，该传热气体入口(15)具有位于在锅内的液体高度之上的孔，即该孔在壳体(2)的顶部或者围绕壳体(2)的周边。
30.根据权利要求1至29中的任一项的电解锅，其特征在于，设置至少一个连接到多个传热气体出口(16)的侧歧管(18)。
31.根据权利要求30的电解锅，其特征在于，该电解锅的每一侧装备有至少一个歧管(18)，所有的歧管可连接到一个共同的抽吸单元。
32.根据权利要求1至31中的任一项的电解锅，其特征在于，这些传热气体入口和出口孔(15，16)或者这些孔中的某些孔的贯穿横截面可以通过调节器(19)调节。
33.根据权利要求1至32中的任一项的电解锅，其特征在于，所使用的传热气体是空气，其中该空气入口(16)对于周围的大气是打开的。
34.根据权利要求1至32中的任一项的电解锅，其特征在于，所使用的传热气体是空气、惰性气体或者是空气和惰性气体的混合，其中此传热气体通过分配网循环，该分配网将在出口孔(16)排出的空气或气体运送到入口孔(15)。
35.根据权利要求34的电解锅，其特征在于，它通过位于该分配网不同点的直接空气入口阀，将没有空气循环和有空气循环的实施方案组合。
36.根据权利要求35的电解锅，其特征在于，它也包括可将分配网的不同部分彼此隔离的隔离阀。
37.根据权利要求1至36中的任一项的电解锅，其特征在于，该绝热材料(29)设置在由多孔材料制成的部件(13)和锅的壳体(2)之间。
38.根据权利要求37的电解锅，其特征在于，该绝热材料是纤维材料。
39.根据权利要求37或38中的任一项的电解锅，其特征在于，该绝热材料形成基本竖直的层，该层的厚度在10mm至100mm范围内。
40.根据权利要求1至39中的任一项的电解锅，其特征在于，它连接抽吸系统，该抽吸系统能够通过在该或每一个由多孔材料制成的部件(13)内的低压来循环传热气体。
41.根据权利要求1至40中的任一项的电解锅，其特征在于，该锅的侧壁(8)也包括至少一个管道(51，52，53)，该管道(51，52，53)能够使得传热气体沿着优选路径朝向该多孔部件的底部循环和/或从该多孔部件顶部循环，以有助于该传热气体基本竖直和均匀的循环速度。
42.根据权利要求1至41中的任一项的电解锅，其特征在于，该多孔部件(13)以模块(30)的形式装配。
43.根据权利要求42的电解锅，其特征在于，所述模块(30)包括：至少一个具有第一孔隙率的第一多孔分段(13a)，和具有第二孔隙率的第二多孔分段(13b)，该第二多孔分段被布置为在锅的所述侧壁(8)中位于该第一多孔分段上方，该第一孔隙率大于该第二孔隙率；第一水平管道(52)，该第一水平管道(52)能够沿着该第一多孔分段(13a)分布传热气流；以及第二水平管道(53)，该第二水平管道(53)能够收集来自该第二多孔分段(13b)的传热气体。
44.根据权利要求43的电解锅，其特征在于，所述模块(30)包括允许传热气体进入的入口(15)和用于排出传热气体的出口(16)，其中该入口(15)和出口(16)位于该用于在所述热交换器的顶部的模块(30)的一部分内。
45.一种包括根据权利要求1至44中的任一项的锅的电解槽。
46.一种工业炼铝设备，包括多个根据权利要求1至45中的任一项的电解锅(22)，这些电解锅通过多个歧管(18)和一个抽吸单元连接到传热气体管路(24)中，该气体管路被导向能量回收装置，该能量回收装置包括至少一个热交换器(25)和/或至少一个发电机。
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