CN106591887B - 一种基于有机闪蒸循环的铝电解槽侧壁余热发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有机闪蒸循环的铝电解槽侧壁余热发电装置，涉及热电设备余热回收利用技术领域。本发明的发电装置包括冷凝器(1)、第一工质泵(2)、混合器(3)、第二工质泵(4)、铝电解槽(5)、壁面换热器(6)、蒸发器(7)、低沸点工质汽轮机(8)、发电机组(10)和冷却水泵(11)，本发明的装置可以有效回收利用铝电解槽侧壁余热，适用于对现有不同级别的铝电解槽进行技术改造，且无需对原有铝电解生产系统做大的改动，系统运行时基本不影响原有生产操作，改造风险性较小。

Description

一种基于有机闪蒸循环的铝电解槽侧壁余热发电装置

技术领域

本发明属于热电设备余热回收利用技术领域，具体地涉及一种基于有机闪蒸循环的铝电解槽侧壁余热发电装置。

背景技术

电解铝工业是电能消耗大户。截止2015年底，我国电解铝产能3720万吨，实际产量3111万吨，总耗电量占全国电能消耗总量的12％，其中超过一半的能量以电解槽热能方式直接散失于环境。有效地利用铝电解槽的余热是实现铝冶金工业节能的重要措施。

铝电解槽侧壁温度在250～350℃之间，现行生产中，是将侧壁余热直接排放到大气环境中，不仅造成大量能源浪费，还造成环境热污染。为了解决铝电解槽侧部余热回收问题，现有技术主要是在电解槽侧部加装冷却装置将其热能导出再考虑其热能利用，例如挪威海德鲁铝业公司开发了一种电解槽侧部碳化硅成型冷却装置；法国彼施涅公司发明了一种余热回收式换热槽，其基本原理：在电解槽侧部布置大量带孔的材料层，材料层充入金属蒸气、空气等介质，来收集侧部的热量；加拿大和美国的研究人员设计了一种热管，热管被安装在电解槽侧部碳化硅材料和槽壳之间，管内充有液态介质或空气，利用其中的工质将热量导出后回收利用；国内东北大学设计了一种新型余热回收式铝电解槽，换热器被安装于侧部碳化硅层内侧，利用高温熔盐将热量导出，缺点是余热回收装置安装复杂，需要对铝电解槽进行大幅度的变动。此外，中南大学提出并试验了在电解槽侧壁加装半导体热电材料，利用温差直接发电的技术，也提出过利用热声原理进行发电的技术思路，缺点是余热发电效率不高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供了一种基于有机闪蒸循环的铝电解槽侧壁余热发电装置。本发明的装置可以有效回收利用铝电解槽侧壁余热，适用于对现有不同级别的铝电解槽进行技术改造，且无需对原有铝电解生产系统做大的改动，系统运行时基本不影响原有生产操作，改造风险性较小。

为实现上述目的，本发明公开了一种基于有机闪蒸循环的铝电解槽侧壁余热发电装置，包括冷凝器、第一工质泵、混合器、第二工质泵、壁面换热器、蒸发器、低沸点工质汽轮机、发电机组和冷却水泵，冷凝器连接第一工质泵的入口，第一工质泵的出口与混合器相连，混合器的混合液体接口管通过第二工质泵与铝电解槽的端部设置的供液总管相连接，而供液总管与铝电解槽下部设置的供液干管及供液支管相连接，供液总管通过铝电解槽下部设置的供液母管及供液支管与壁面换热器的进液管相连接，壁面换热器的排液管通过铝电解槽下部设置的回液支管及回液母管和回液干管与铝电解槽的端部设置的回液总管相连接，而回液总管与蒸发器的进液管相连，蒸发器的排气管与低沸点工质汽轮机连接，低沸点工质汽轮机与发电机组连接，所述蒸发器的排液管通过混合器的循环液体接口管与混合器相连，并构成循环回路。

进一步地，所述壁面换热器包括传热管，所述传热管为双管并列式蛇形结构传热管，所述双管并列式蛇形结构传热管包含若干层横向曲折盘绕的铜管，每层铜管的中心线在同一平面上，所有铜管均固定在肋板上，铜管的首尾端分别与入口接管、出口接管连接，所述肋板与传热管均设置在壁面换热器的壳体内部，所述入口接管和出口接管均向外延伸至壳体外部。

再进一步地，所述壳体为钢板焊接而成的封闭体，所述肋板为铝制肋板，且在壳体内部的若干层铜管之间，铜管与铝制肋板之间均填充有氧化铝粉，所述壳体的外侧面板上敷设保温层。

更进一步地，若干个壁面换热器通过并联的方式组成壁面换热器组件设置在铝电解槽的侧壁散热孔内，且若干个壁面换热器通过供液支管和回液支管与铝电解槽的电解槽底板下设置的供液干管、回液干管、回液母管及槽端供液母管、槽端回液母管和供液总管、回液总管构成同程式连接。

更进一步地，在槽端供液母管和槽端回液母管上分别设置有管道绝缘段，在槽端供液母管上设有管道流量调节阀。

更进一步地，所述蒸发器为闪蒸式蒸发器，所述闪蒸式蒸发器为钢制耐压材质的竖式罐体结构，所述蒸发器包括蒸发器罐体、设置在蒸发器罐体内部的折流板和内喷流板，所述内喷流板上开设有通孔。

更进一步地，所述混合器为钢制耐压材质的卧式罐体结构，且混合器设置在第一工质泵与第二工质泵之间。

更进一步地，所述低沸点工质汽轮机安装于蒸发器与冷凝器之间，所述低沸点工质汽轮机通过传动轴与发电机组相连，所述低沸点工质汽轮机为单缸单级蒸汽轮机，所述发电机组为三相同步发电机。

更进一步地，所述冷凝器设置在低沸点工质汽轮机的排气出口管处，所述冷凝器为组合式板式冷凝器，组合式板式冷凝器中冷却介质为常温水，被冷却介质为循环工质，且冷却介质与被冷却介质的总体布置为逆流方式。

更进一步地，所述工质为一氟二氯乙烷。

有益效果：

1、本发明利用有机朗肯循环的特点与优势，将铝电解槽侧壁余热直接转换为优质的电能而加以利用，能量转换效率相对较高，且成本相对较低。

2、本发明所涉及的系统装置采用模块化快装方式，有较好的灵活性，且发出的电力可直接作为电解净化车间的引风机和空压站压气机的电源而加以利用。

3、实施方案的通用性较好，可适用于对现有不同级别的铝电解槽进行技术改造，且无需对原有铝电解生产系统做大的改动，系统运行时基本不影响原有生产操作，改造风险性小。

附图说明

图1为本发明有机闪蒸循环的铝电解槽侧壁余热发电装置的构造原理图；

图2为图1中壁面换热器的正视图；

图3为图2中壁面换热组件在铝电解槽的安装结构示意图；

图4为图1中蒸发器的局部剖视图；

图5为图1中混合器的局部剖视图；

图中各元件的标号如下：

1—冷凝器、2—第一工质泵、3—混合器、4—第二工质泵、5—铝电解槽、6—壁面换热器、7—蒸发器、8—低沸点工质汽轮机、9—传动轴、10—发电机组、11—冷却水泵、12—流量调节阀、13—止回阀、14—截止阀；

15—传热管、16—壳体、17—肋板、18—入口接管、19—出口接管；

20—壁面换热器组件、21—电解槽底板、22—回液母管、23—回液干管、24—供液干管、25—回液支管、26—供液支管、27—供液总管、28—回液总管、29—槽端回液母管、30—槽端供液母管、31—管道流量调节阀、32—管道绝缘段；

33—排气管、34—蒸发器罐体、35—折流板、36—内喷流板：36.1—通孔、37—进液管、38—排液管；

39—混合器罐体、40—循环液体接口管、41—冷凝液体接口管、42—混合液体接口管。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

如图1所示，本发明的基于有机闪蒸循环的铝电解槽侧壁余热发电装置包括冷凝器1、第一工质泵2、混合器3、第二工质泵4、铝电解槽5、壁面换热器6、蒸发器7、低沸点工质汽轮机8、传动轴9、发电机组10和冷却水泵11。

其中，本实施中的混合器3优选为钢制耐压材质的卧式罐体结构，如图5所示，所述混合器3包括混合器罐体39、设置在混合器罐体39右侧上端的循环液体接口管40、设在混合器罐体39右侧的冷凝液体接口管41及混合器罐体39左侧下端的混合液体接口管42，混合器3还包括地脚及外保温层，(图5中没有体现出来)；结合图1可知，混合器3设置在第一工质泵2与第二工质泵4之间，第一工质泵2的出口与混合器3的冷凝液体接口管41相连，混合器3的混合液体接口管42与第二工质泵4的入口相接，第二工质泵4的出口通过供液管与铝电解槽5上设置的壁面换热器6相连接。

如图2所示，所述壁面换热器6包括传热管15，所述传热管15为双管并列式蛇形结构传热管，所述双管并列式蛇形结构传热管包含若干层横向曲折盘绕的铜管，每层铜管的中心线在同一平面上，所有铜管均固定在肋板17上，肋板17优选为铝制肋板，所述铝制肋板与传热管15均设置在壁面换热器6的壳体16内部，在壳体16内部的若干层铜管之间，铜管与铝制肋板之间均填充有氧化铝粉，在壳体的外侧面板上还敷设有保温层。再次结合图2可知，铜管的首尾端连接着入口接管18和出口接管19，所述入口接管18和出口接管19均向外延伸至壳体16的外部，且入口接管18与铝电解槽5的电解槽底板21下设置的槽端供液母管30相连接，出口接管19与铝电解槽5的电解槽底板21下设置的回液母管22相连。

本实施例优选将若干个壁面换热器通过并联的方式组成壁面换热器组件20设置在铝电解槽的侧壁散热孔内，目的是充分吸收铝电解槽的余热。本实施以200kA系列铝电解槽为例来加以描述，电解铝车间为分区管理模式，对于200kA系列电解铝车间，一个分区通常包含25台电解槽，每两个区(共50台铝电解槽)共用一套排烟收尘系统，年产铝量2.5万吨左右；每台电解槽有18组阴极，在两个大面共有36个散热孔，每个散热孔的实际可利用面积约为0.7×0.4m²，每台槽最多可安装36个壁面换热器组件，则50台槽最多可安装1800个壁面换热器组件，当然也可以根据实际情况来安装换热器组件的个数。本发明在具体实施时，可按模块化设计为成套装置，即与每个烟气系统相对应，设计本发明的余热发电装置一套，并能保证独立运行。

如图3所示，在每个壁面换热器6上设有供液支管26和回液支管25，在电解槽底板21下方设置有供液干管24和回液干管23及回液母管22，在铝电解槽5的一端(通常为烟道端)设有槽端供液母管30和槽端回液母管29，多台铝电解槽的槽端供液母管30和槽端回液母管29分别汇总接入供液总管27和回液总管28；且供液总管27与第二工质泵2的出口连接，回液总管28与所述蒸发器7的进液管37连接；为了解决铝电解槽之间的电绝缘问题，在每台铝电解槽的槽端供液母管30和槽端回液母管29上设置有管道绝缘段32；为了平衡每台铝电解槽的工质流量，在每台铝电解槽的槽端供液母管30上设有管道流量调节阀31；所有供、回液管均采用无缝钢管焊接，管外设置保温层。

本实施例的工质优选为一氟二氯乙烷工质，在壁面换热器6中吸收铝电解槽侧壁热量后形成饱和工质液体，经过回液总管28、蒸发器7的进液管37进入蒸发器7中，如图4所示，本实施例的蒸发器7优选为闪蒸式蒸发器，所述闪蒸式蒸发器为钢制耐压材质的竖式罐体结构，蒸发器7包括蒸发器罐体34，蒸发器罐体34的上端设置有排气管33，蒸发器罐体34的下端设置有排液管38，在蒸发器罐体34的内部设置有折流板35和内喷流板36，且内喷流板36为开有若干通孔36.1的钢板卷制而成，两端用环形钢板焊接于蒸发器罐体34内侧，其作用是让自进液管进入的工质液体在压差作用下，通过喷流板36较均匀地向罐体中部喷射，因压力下降在罐体内部部分气化为湿蒸气，湿蒸气向上浮升，流经折流板35，完成气液分离，分离出的液体向下沉降，干蒸气则通过排气管33接入所述低沸点工质汽轮机8的进气接管；为使工质液体尽量实现均匀喷射，蒸发器罐体34下部可设置多个进液管(本实施例中对称设置2个)；未气化的工质液体经过蒸发器罐体34下端的排液管38与所述混合器3的循环液体接口管40而进入混合器，并与所述冷凝器1排出的工质液体均匀混合。

再次结合图1可知，由蒸发器7排出的工质蒸气由蒸气管道接入低沸点工质汽轮机8的进气接管，所述低沸点工质汽轮机8为特殊设计的单缸单级蒸汽轮机，并与所述发电机组10通过传动轴9水平同轴连接，所述发电机组10为三相同步发电机，工质蒸气经过所述低沸点工质汽轮机8的分气缸后流经其叶轮流道，流向偏转，冲动叶轮旋转做功，从而驱动发电机组10发电，工质蒸气自身膨胀，压力和温度下降，形成低压、低温的乏气，并从低沸点工质汽轮机8的排气接口排至所述冷凝器1的进气接口，至此完成工质的一次循环。

本实施例中的冷凝器1优选板式冷凝器，也可选择其他冷凝器，结合图1可知，所述冷凝器1设置在低沸点工质汽轮机8的排气出口管处，其作用是将低沸点工质汽轮机8的出口乏气冷凝为液体，所述冷凝器1中冷却介质为常温水，被冷却介质为循环工质(本实施例中优选为一氟二氯乙烷)，两种介质被传热板片分隔为多个流道，总体布置为逆流方式，工质入口管与低沸点工质汽轮机8的排气出口管连接，工质出口管与第一工质泵2的入口管连接，冷却水入口管与冷却水泵11的出口管连接，冷却水出口管与冷却水回水管连接，冷却水泵优选为离心泵，第一工质泵优选为齿轮泵，第二工质泵优选为离心泵。

再次结合图1可知，在各个部件之间还连接有不同的阀门，如在冷凝器1与第一工质泵2之间设置有流量调节阀12，在第一工质泵2与混合器3之间设置有止回阀13，而在冷却水泵的末端设置有截止阀14等，这些阀门的目的都是调整管道中工质或者冷凝水的压力和流量。此外，整个装置还包括循环系统中各节点的工质的温度、压力、流量和液位的监测与控制系统。

本发明的具体实施过程包括如下步骤：

步骤一：设计和定制系统设备，包括所述壁面换热器的设计定制、所述蒸发器的设计定制、所述低沸点工质汽轮机及发电机组的定制、所述冷凝器和混合器的设计定制、所述工质泵及冷却水泵的选型定制、工质与冷却水管道及其附件的加工，以及由各个温度、压力、流量、液位的监视、调节和控制仪表的设计选型与定制。

步骤二：完成系统安装，将按图3所述壁面换热器贴装于每台铝电解槽的各个散热孔的槽壳壁面处，其外侧先用角钢压紧，并将角钢焊接于电解槽壁撑，再在其外侧敷设适当大小和厚度的保温棉毡。将各个所述壁面换热器的进、出口接管与槽底供、回液干管连接(焊接或活接头连接)，而供、回干管再与槽底供、回液母管及槽端供、回液母管连接，槽端供、回液母管与供、回液总管连接；将回液总管与所述蒸发器的入口接管连接，将供液总管与第二工质泵出口接管连接；再将蒸发器的排气管与所述低沸点工质汽轮机入口接管连接，将低沸点工质汽轮机与所述发电机组通过传动轴联接，将低沸点工质汽轮机排气出口与所述冷凝器的进气口连接，然后将冷凝器的工质液体出口与所述第一工质泵入口接管连接，同时将冷却水管路与冷凝器的冷却水进、出口接管连接，再将第一工质泵出口接管与所述混合器的端头进液管连接，将所述蒸发器的排液管与混合器的循环液接管连接，将混合器的排液管接口与所述工质泵的入口接管连接。由此则构成了所述工质的循环回路。最后安装各个温度、压力、流量、液位的监视、调节和控制仪表，并对所述蒸发器、混合器及管路系统实施保温隔热。

步骤三：运行调试与额定功率运行，首先将系统抽真空，然后灌入适量的所述工质，再开启所述冷却水泵、工质泵，通过流量调节阀的配合调节，使系统达到所设定的压力和流量，最后启动所述低沸点工质汽轮机，驱动发电机组发电，直至达到额定功率运行，并向外输出电力。

本发明利用有机朗肯循环的特点与优势，将铝电解槽侧壁余热直接转换为优质的电能而加以利用，能量转换效率相对较高，且系统装置采用模块化快装方式，对原有电解铝生产系统影响小，成本相对较低。

以上实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于有机闪蒸循环的铝电解槽侧壁余热发电装置，包括冷凝器(1)、第一工质泵(2)、混合器(3)、第二工质泵(4)、铝电解槽(5)、壁面换热器(6)、蒸发器(7)、低沸点工质汽轮机(8)、发电机组(10)和冷却水泵(11)，其特征在于：冷凝器(1)连接第一工质泵(2)的入口，第一工质泵(2)的出口与混合器(3)相连，混合器(3)的混合液体接口管(42)通过第二工质泵(4)与铝电解槽(5)的端部设置的供液总管(27)相连接，供液总管(27)通过铝电解槽(5)下部设置的供液母管(30)及供液支管(26)与壁面换热器(6)的进液管相连接，壁面换热器(6)的排液管通过铝电解槽(5)下部设置的回液支管(25)及回液母管(22)和回液干管(23)与铝电解槽(5)的端部设置的回液总管(28)相连接，而回液总管(28)与蒸发器(7)的进液管(37)相连，蒸发器(7)的排气管(33)与低沸点工质汽轮机(8)连接，低沸点工质汽轮机(8)与发电机组(10)连接，所述蒸发器(7)的排液管(38)通过混合器(3)的循环液体接口管(40)与混合器(3)相连，并构成循环回路。

2.根据权利要求1所述的基于有机闪蒸循环的铝电解槽侧壁余热发电装置，其特征在于：所述壁面换热器(6)包括传热管(15)，所述传热管(15)为双管并列式蛇形结构传热管，所述双管并列式蛇形结构传热管包含若干层横向曲折盘绕的铜管，每层铜管的中心线在同一平面上，所有铜管均固定在肋板(17)上，铜管的首尾端分别与入口接管(18)、出口接管(19)连接，所述肋板(17)与传热管(15)均设置在壁面换热器(6)的壳体(16)内部，所述入口接管(18)和出口接管(19)均向外延伸至壳体外部。

3.根据权利要求2所述的基于有机闪蒸循环的铝电解槽侧壁余热发电装置，其特征在于：所述壳体(16)为钢板焊接而成的封闭体，所述肋板(17)为铝制肋板，且在壳体(16)内部的若干层铜管之间，铜管与铝制肋板之间均填充有氧化铝粉，所述壳体(16)的外侧面板上敷设保温层。

4.根据权利要求2所述的基于有机闪蒸循环的铝电解槽侧壁余热发电装置，其特征在于：若干个壁面换热器(6)通过并联的方式组成壁面换热器组件(20)设置在铝电解槽(5)的侧壁散热孔内，且若干个壁面换热器(6)通过供液支管(26)和回液支管(25)与铝电解槽(5)的电解槽底板(21)下设置的供液干管(24)、回液干管(23)、回液母管(22)及槽端供液母管(30)、槽端回液母管(29)和供液总管(27)、回液总管(28)构成同程式连接。

5.根据权利要求4所述的基于有机闪蒸循环的铝电解槽侧壁余热发电装置，其特征在于：在槽端供液母管(30)和槽端回液母管(29)上分别设置有管道绝缘段(32)，在槽端供液母管(30)上设有管道流量调节阀(31)。

6.根据权利要求1所述的基于有机闪蒸循环的铝电解槽侧壁余热发电装置，其特征在于：所述蒸发器(7)为闪蒸式蒸发器，所述闪蒸式蒸发器为钢制耐压材质的竖式罐体结构，所述蒸发器(7)包括蒸发器罐体(34)、设置在蒸发器罐体(34)内部的折流板(35)和内喷流板(36)，所述内喷流板(36)上开设有通孔(36.1)。

7.根据权利要求1所述的基于有机闪蒸循环的铝电解槽侧壁余热发电装置，其特征在于：所述混合器(3)为钢制耐压材质的卧式罐体结构，且混合器(3)设置在第一工质泵(2)与第二工质泵(4)之间。

8.根据权利要求1所述的基于有机闪蒸循环的铝电解槽侧壁余热发电装置，其特征在于：所述低沸点工质汽轮机(8)安装于蒸发器(7)与冷凝器(1)之间，所述低沸点工质汽轮机(11)通过传动轴(9)与发电机组(10)相连，所述低沸点工质汽轮机(8)为单缸单级蒸汽轮机，所述发电机组(10)为三相同步发电机。

9.根据权利要求1所述的基于有机闪蒸循环的铝电解槽侧壁余热发电装置，其特征在于：所述冷凝器(1)设置在低沸点工质汽轮机(8)的排气出口管处，所述冷凝器(1)为组合式板式冷凝器，组合式板式冷凝器中冷却介质为常温水，被冷却介质为循环工质，且冷却介质与被冷却介质的总体布置为逆流方式。

10.根据权利要求9所述的基于有机闪蒸循环的铝电解槽侧壁余热发电装置，其特征在于：所述工质为一氟二氯乙烷。