CN106949746B - 一种可控式电解铝槽散热窗口余热回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于热量回收与节能技术领域，涉及一种可控式电解铝槽散热窗口余热回收装置，包括循环水泵调节控制线、补充水加压泵、引射器、循环水泵、供液母管、分液支管、第一分支流量调节阀、第一个取热单元、第二个取热单元、第n个取热单元、两相流支路管、循环水管、加压泵调节控制线、分液头、第二分支流量调节阀、两相流母管、气液分离器、液位计、水位信号线、中央控制器、安全阀、蒸汽温度压力信号线、取热单元温度信号线、供气管、第m分支流量调节阀、取热支路、进水管、出水管、取热单元、下钢板；合理回收利用散热窗口余热，改善车间工作环境，有效控制电解铝槽内温度分布，降低生产成本，其整体结构设计简单，原理科学，应用环境友好。

Description

一种可控式电解铝槽散热窗口余热回收装置

技术领域：

本发明属于热量回收与节能技术领域，涉及一种将电解铝槽散热窗口的余热进行合理回收利用，为用户提供一定压力的饱和蒸汽，并有效控制每个窗口的散热量，以保证电解铝槽内形成均匀稳定温度的可控式余热回收系统。

背景技术：

电解铝就是通过电解得到铝。现代电解铝工业生产采用冰晶石-氧化铝融盐电解法，该方法采用熔融冰晶石作为溶剂，氧化铝作为溶质，以碳素体作为阳极，铝液作为阴极，通入强大的直流电后，在950℃-970℃下，在电解槽内的两极上进行电化学反应。

电解铝生产工艺要求在均匀稳定的工作温度下进行，为保证形成均匀稳定的温度分布，在每个电解铝槽四周都布置有几十个散热窗口，这些散热窗口形状为凹形，最内侧壁面温度高达300℃-350℃，并以辐射和自然对流的形式向生产车间内部散发热量，由于壁面温度较高导致向外散热量较大，使生产车间工作环境恶劣，夏季两电解铝槽间过道的温度常常在60℃以上,工作人员在这样的环境中工作效率低，散热窗口散发的余热不能合理利用，造成能源浪费。若将电解铝槽散热窗口作为热源，合理回收利用该部分余热，既能够降低能耗、实现节能减排，还能够有效改善车间工作环境，提高人员工作效率；但由于散热窗口数量多，高温壁面又处于散热窗口凹形的最内侧，使余热回收利用难度很大；另外，从电解铝生产工艺角度讲，散热窗口的散热量并非越多越好，必须合理控制每个窗口的散热量，以保证电解铝槽内形成均匀稳定的温度分布；目前国内仍没有一种能够合理解决这一问题的系统。近年来，尽管国外有研究提出：利用一个个独立模块微通道热管技术对每个电解铝槽散热窗口进行余热回收，并通过导热油将每个独立模块热管获得的热量收集起来，最终获得200℃-250℃的导热油的系统，该系统不仅存在制造成本高、系统复杂等问题，而且一旦有某个独立模块微通道热管单元出现问题，该窗口将无法有效散热，会严重影响电解铝槽内的温度分布。因此，寻求设计一种可控式电解铝槽散热窗口余热回收装置，将供水、取热单元、气液收集分离、顶紧及隔热、中央控制五个子系统连接为一体，合理回收利用散热窗口余热，控制电解槽内温度分布，改善车间工作环境温度，降低成本，提高工作人员工作效率。

发明内容：

本发明的发明目的在于克服现有技术存在的缺点，提出设计一种可控式电解铝槽散热窗口余热回收装置，以解决电解铝槽壁面温度较高、不利于电解反应的问题，解决壁面向外散热较大、生产车间工作环境恶劣的问题，克服能源浪费的缺陷，解决电解铝槽内温度不可控制的问题，解决系统复杂、维护不便、生产成本高的问题。

为了实现上述发明目的，本发明涉及的可控式电解铝槽散热窗口余热回收装置，其主体结构包括：循环水泵调节控制线、补充水加压泵、引射器、循环水泵、供液母管、分液支管、第一分支流量调节阀、第一个取热单元、第二个取热单元、第n个取热单元、两相流支路管、循环水管、加压泵调节控制线、分液头、第二分支流量调节阀、两相流母管、气液分离器、液位计、水位信号线、中央控制器、安全阀、蒸汽温度压力信号线、取热单元温度信号线、供汽管、第m分支流量调节阀、连接弯头、固定框架、导轨、隔热板、输入管、取热单元护板、顶紧装置、输出管、散热窗口的高温壁面、取热单元、下钢板、上钢板和垂直板,第二个取热单元和第n个取热单元之间为第3至第n-1个取热单元；主体结构按功能划分为供水、取热单元、气液收集分离、顶紧及隔热、中央控制五个子系统。本实施例的n的数值为5-50，m的数值为2-20。

本发明涉及的供水子系统包括补充水加压泵、引射器、循环水泵、供液母管、分液头、分液支管、第一分支流量调节阀、第二分支流量调节阀和第m分支流量调节阀；外部的补充水管道与补充水加压泵相连通，引射器分别与补充水加压泵的出口端和循环水管的出口端相连通，循环水管内的循环水为经气液分离器分离出来的液体水，引射器的出口与循环水泵的入口相连通，循环水泵的出口与分液头的入口通过供液母管相连通，分液头的出口分别通过分液支管与第一分支流量调节阀、第二分支流量调节阀和第m分支流量调节阀相连通；引射器将补充水加压泵出来的补充水与循环水管出来的液体水均匀混合，再送入循环水泵实现连续不断的均匀供水过程，通过分液头与第一、二、m分支流量调节阀将循环水泵流出的高压水分别均匀送入取热单元子系统的各支路。

本发明涉及的取热单元子系统包括m个取热支路，每个取热支路包括n个取热单元，第一个取热单元、第二个取热单元、第n个取热单元，第二个取热单元和第n个取热单元之间为第3至第n-1个取热单元；每个支路由n个取热单元相互串联而成，每个支路的第一个取热单元的入口分别与供水子系统的第一、二、m分支流量调节阀相连接通，第二个取热单元的入口与第一个取热单元的出口相连通，第二个取热单元的出口与下一个取热单元的入口相连通，各取热单元依次相互连通，直到第n个取热单元；每个支路的第n个取热单元的出口分别与气液收集分离子系统相连通。涉及的第一、二、m分支流量调节阀可以用一定长度的细管节流来代替，细管内径与长度需通过模拟仿真或实验来确定。所述的可控式电解铝槽散热窗口余热回收装置中的每个电解铝槽散热窗口中可以采用一个取热单元，也可以采用多个取热单元，取热单元具体尺寸与数量需通过模拟仿真或实验进行优化分析来确定。

本发明涉及的气液收集分离子系统包括：m个两相流支路管、两相流母管、气液分离器、液位计、安全阀、供汽管、循环水管；m个两相流支路管的入口分别与取热单元子系统的m个取热单元相连通，m个两相流支路管将两相流汇入两相流母管，两相流母管与气液分离器相连通，气液分离器上设有液位计和安全阀，安全阀确保系统工作压力不超过设定范围；气液分离器内产生的气体通过供汽管输送给用户，气液分离器内产生的液体通过循环水管流入供水子系统的引射器内。

本发明涉及的顶紧及隔热子系统包括：取热单元护板、顶紧装置、固定框架、导轨、隔热板；取热单元护板紧贴取热单元，采用镀锌钢板或其它耐腐蚀碳钢板，借助电解铝生产过程的磁场作用，使取热单元与散热窗口的高温壁面实现紧密接触，固定框架安装在散热窗口的上钢板与下钢板上，顶紧装置和导轨安装在固定框架上；隔热板插入导轨，将电解铝槽散热窗口及安装在其中的取热单元、输入管、输出管与外部环境隔离开，起到保温与保护的作用。每个散热窗口配置一套顶紧及隔热子系统。

本发明涉及的中央控制子系统包括中央控制器、取热单元温度信号线、蒸汽温度压力信号线、水位信号线、加压泵调节控制线、循环水泵调节控制线；中央控制器通过取热单元温度信号线、蒸汽温度压力信号线、水位信号线获取相关信号，通过加压泵调节控制线、循环水泵调节控制线实现水位控制与散热窗口温度控制。

本发明涉及的可控式电解铝槽散热窗口余热回收装置，其具体工作过程是：补充水经补充水加压泵提高压力后送入引射器，在引射器的引射作用下，补水与循环水均匀混合后进入循环水泵，经循环水泵再次增压后，混合水进入供液母管，供液母管中的高压水由分液头进入各分液支管，各分液支管的液体水经各分支管路流量调节阀后依次进入各取热单元，在取热单元内吸收各电解铝槽散热窗口的散热量后，部分循环水发生相变，产生水蒸汽，形成气液两相流，从最后一个取热单元流出的气液两相流由各两相流支路管流出，汇入气液两相流母管后进入气液分离器，在气液分离器中实现气液分离，分离出的饱和蒸汽经供气管供给用户，而分离出的液体水经循环水管进入引射器，如此形成循环，连续不断地从电解铝槽散热窗口吸收余热，将补充水转化为高温高压蒸汽，实现电解铝槽散热能量的合理回收利用。每个取热单元均为空心六面体结构，通过固定在电解铝槽散热窗口框架上的顶紧装置使空心六面体的一侧与散热窗口的高温壁面紧密接触，以导热方式直接将散热窗口的高温壁面的热量传递给取热单元内的流体，实现高效的换热过程。取热支路的数量通过两相流流动与传热过程的优化设计来确定，每个取热支路上的流量调节阀用来调节进入该分支的流量大小，以此来保证各取热支路均匀取热，同时结合循环水泵的流量调节，实现各散热窗口取热量的合理控制，使电解铝槽内形成均匀稳定的温度分布，满足生产工艺要求。中央控制子系统由取热单元温度信号线获得散热窗口温度信号，将此温度与设定的散热窗口温度值进行比较，依据偏差大小，通过循环水泵调节控制线给循环水泵调节信号，改变循环水泵的工作频率以调节循环水量，以此调节每个取热单元的取热量和产生蒸汽的压力与温度，控制散热窗口的取热量，使散热窗口温度控制在设定范围内，保证电解铝槽内部温度分布满足生产要求；由布置在液位计上的水位信号线获取水位位置信号，通过与设定的水位位置进行比较，依据偏差大小，通过加压泵调节控制线给补充水加压泵调节信号，改变补充水加压泵的工作频率以调节补水量，使气液分离器上的水位控制在设定范围内。

本发明与现有技术相比，合理回收利用散热窗口余热，降低能耗，实现节能减排，改善车间工作环境，提高工人工作效率；有效控制电解铝槽内温度分布，运行稳定；降低生产成本，维护方便；其整体结构设计简单，原理科学，使用方便，安全可靠，应用环境友好。

附图说明：

图1为本发明的整体结构原理示意图。

图2为本发明的取热单元、顶紧及隔热子系统的固定结构原理示意图。

图3为本发明的散热窗口内取热单元布置结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例：

本实施例涉及的可控式电解铝槽散热窗口余热回收装置，其主体结构包括：循环水泵调节控制线1、补充水加压泵2、引射器3、循环水泵4、供液母管5、分液支管6、第一分支流量调节阀7、第一个取热单元8、第二个取热单元9、第n个取热单元10、两相流支路管11、循环水管12、加压泵调节控制线13、分液头14、第二分支流量调节阀15、两相流母管16、气液分离器17、液位计18、水位信号线19、中央控制器20、安全阀21、蒸汽温度压力信号线22、取热单元温度信号线23、供汽管24、第m分支流量调节阀25、连接弯头26、固定框架27、导轨28、隔热板29、输入管30、取热单元护板31、顶紧装置32、输出管33、散热窗口的高温壁面34、取热单元35、下钢板36、上钢板37和垂直板38，第二个取热单元9和第n个取热单元10之间为第3至第n-1个取热单元；主体结构按功能划分为供水、取热单元、气液收集分离、顶紧及隔热、中央控制五个子系统。本实施例的n的数值为5-50，m的数值为2-20。

本实施例涉及的供水子系统包括补充水加压泵2、引射器3、循环水泵4、供液母管5、分液头14、分液支管6、第一分支流量调节阀7、第二分支流量调节阀15和第m分支流量调节阀25；外部的补充水管道与补充水加压泵2相连通，引射器3分别与补充水加压泵2的出口端和循环水管12的出口端相连通，循环水管12内的循环水为经气液分离器17分离出来的液体水，引射器3的出口与循环水泵4的入口相连通，循环水泵4的出口与分液头14的入口通过供液母管5相连通，分液头14的出口分别通过分液支管6与第一分支流量调节阀7、第二分支流量调节阀15和第m分支流量调节阀25相连通；引射器3将补充水加压泵2出来的补充水与循环水管12出来的液体水均匀混合，再送入循环水泵4实现连续不断的均匀供水过程，通过分液头14与第一、二、m分支流量调节阀7、15、25将循环水泵4流出的高压水分别均匀送入取热单元子系统的各支路。

本实施例涉及的取热单元子系统包括m个取热支路，每个取热支路包括n个取热单元35，第一个取热单元8、第二个取热单元9、第n个取热单元10，第二个取热单元9和第n个取热单元10之间为第3至第n-1个取热单元；每个支路由n个取热单元35相互串联而成，每个支路的第一个取热单元8的入口分别与供水子系统的第一、二、m分支流量调节阀7、15、25相连接通，第二个取热单元9的入口与第一个取热单元8的出口相连通，第二个取热单元9的出口与下一个取热单元35的入口相连通，各取热单元依次相互连通，直到第n个取热单元10；每个支路的第n个取热单元10的出口分别与气液收集分离子系统相连通。涉及的第一、二、m分支流量调节阀7、15、25可以用一定长度的细管节流来代替，细管内径与长度需通过模拟仿真或实验来确定。所述的可控式电解铝槽散热窗口余热回收装置中的每个电解铝槽散热窗口中可以采用一个取热单元35，也可以采用多个取热单元35，取热单元35具体尺寸与数量需通过模拟仿真或实验进行优化分析来确定。

本实施例涉及的气液收集分离子系统包括：m个两相流支路管11、两相流母管16、气液分离器17、液位计18、安全阀21、供汽管24、循环水管12；m个两相流支路管11的入口分别与取热单元子系统的m个取热单元相连通，m个两相流支路管11将两相流汇入两相流母管16，两相流母管16与气液分离器17相连通，气液分离器17上设有液位计18和安全阀21，安全阀21确保系统工作压力不超过设定范围；气液分离器17内产生的气体通过供气管24输送给用户，气液分离器17内产生的液体通过循环水管12流入供水子系统的引射器3内。

本实施例涉及的顶紧及隔热子系统包括：取热单元护板31、顶紧装置32、固定框架27、导轨28、隔热板29；取热单元护板31紧贴取热单元，采用镀锌钢板或其它耐腐蚀碳钢板，借助电解铝生产过程的磁场作用，使取热单元35与散热窗口的高温壁面34实现紧密接触，固定框架27安装在散热窗口的上钢板37与下钢板36上，顶紧装置32和导轨28安装在固定框架27上；隔热板29插入导轨28，将电解铝槽散热窗口及安装在其中的取热单元35、连接管路与外部环境隔离开，起到保温与保护的作用。每个散热窗口配置一套顶紧及隔热子系统。

本实施例涉及的中央控制子系统包括中央控制器20、取热单元温度信号线23、蒸汽温度压力信号线22、水位信号线19、加压泵调节控制线13、循环水泵调节控制线1；中央控制器20通过取热单元温度信号线23、蒸汽温度压力信号线22、水位信号线19获取相关信号，通过加压泵调节控制线13、循环水泵调节控制线1实现水位控制与散热窗口温度控制。

本实施例涉及的可控式电解铝槽散热窗口余热回收装置，其具体工作过程是：补充水经补充水加压泵2提高压力后送入引射器3，在引射器3的引射作用下，补水与循环水均匀混合后进入循环水泵4，经循环水泵4再次增压后，混合水进入供液母管5，供液母管5中的高压水由分液头14进入各分液支管6，各分液支管6的液体水经各分支管路流量调节阀后依次进入各取热单元35，在取热单元35内吸收各电解铝槽散热窗口的散热量后，部分循环水发生相变，产生水蒸汽，形成气液两相流，从最后一个取热单元35流出的气液两相流由各两相流支路管11流出，汇入气液两相流母管16后进入气液分离器17，在气液分离器17中实现气液分离，分离出的饱和蒸汽经供汽管24供给用户，而分离出的液体水经循环水管12进入引射器3，如此形成循环，连续不断地从电解铝槽散热窗口吸收余热，将补充水转化为高温高压蒸汽，实现电解铝槽散热能量的合理回收利用。每个取热单元35均为空心六面体结构，通过固定在电解铝槽散热窗口框架上的顶紧装置32使空心六面体的一侧与散热窗口的高温壁面34紧密接触，以导热方式直接将散热窗口的高温壁面34的热量传递给取热单元35内的流体，实现高效的换热过程。取热支路的数量通过两相流流动与传热过程的优化设计来确定，每个取热支路上的流量调节阀用来调节进入该分支的流量大小，以此来保证各取热支路均匀取热，同时结合循环水泵4的流量调节，实现各散热窗口取热量的合理控制，使电解铝槽内形成均匀稳定的温度分布，满足生产工艺要求。中央控制子系统由取热单元温度信号线23获得散热窗口温度信号，将此温度与设定的散热窗口温度值进行比较，依据偏差大小，通过循环水泵调节控制线1给循环水泵4调节信号，改变循环水泵4的工作频率以调节循环水量，以此调节每个取热单元35的取热量和产生蒸汽的压力与温度，控制散热窗口的取热量，使散热窗口温度控制在设定范围内，保证电解铝槽内部温度分布满足生产要求；由布置在液位计18上的水位信号线19获取水位位置信号，通过与设定的水位位置进行比较，依据偏差大小，通过加压泵调节控制线13给补充水加压泵2调节信号，改变补充水加压泵2的工作频率以调节补水量，使气液分离器17上的水位控制在设定范围内。

实施例2：

本实施例的取热单元子系统在电解铝槽的散热窗口内实现，散热窗口的上钢板37、下钢板36及两块垂直板38形成一个散热窗口，本实施例中每个散热窗口内布置3个取热单元，每个取热单元两侧焊接输入管30与输出管33。

Claims (3)

1.一种可控式电解铝槽散热窗口余热回收装置，其特征在于主体结构包括循环水泵调节控制线、补充水加压泵、引射器、循环水泵、供液母管、分液支管、第一分支流量调节阀、第一个取热单元、第二个取热单元、第n个取热单元、两相流支路管、循环水管、加压泵调节控制线、分液头、第二分支流量调节阀、两相流母管、气液分离器、液位计、水位信号线、中央控制器、安全阀、蒸汽温度压力信号线、取热单元温度信号线、供汽管、第m分支流量调节阀、连接弯头、固定框架、导轨、隔热板、输入管、取热单元护板、顶紧装置、输出管、散热窗口的高温壁面、取热单元、下钢板、上钢板和垂直板，第二个取热单元和第n个取热单元之间为第3至第n-1个取热单元，第二分支流量调节阀和第m分支流量调节阀之间为第3至第m-1分支流量调节阀，其中n的数值为5-50，m的数值为2-20；主体结构按功能划分为供水、取热单元、气液收集分离、顶紧及隔热、中央控制五个子系统；所述的供水子系统包括补充水加压泵、引射器、循环水泵、供液母管、分液头、分液支管、第一分支流量调节阀、第二分支流量调节阀和第m分支流量调节阀；外部的补充水管道与补充水加压泵相连通，引射器分别与补充水加压泵的出口端和循环水管的出口端相连通，引射器的出口与循环水泵的入口相连通，循环水泵的出口与分液头的入口通过供液母管相连通，分液头的出口分别通过分液支管与第一分支流量调节阀、第二分支流量调节阀和第m分支流量调节阀相连通；取热单元子系统包括m个取热支路、第一个取热单元、第二个取热单元、第n个取热单元；每个支路由n个取热单元相互串联而成，每个支路的第一个取热单元的入口分别与供水子系统的第一、二、m分支流量调节阀相连接通，第二个取热单元的入口与第一个取热单元的出口相连通，第二个取热单元的出口与下一个取热单元的入口相连通，各取热单元依次相互连通，直到第n个取热单元；每个支路的第n个取热单元的出口分别与气液收集分离子系统相连通；气液收集分离子系统包括：m个两相流支路管、两相流母管、气液分离器、液位计、安全阀、供汽管、循环水管；m个两相流支路管的入口分别与取热单元子系统的m个取热单元相连通，m个两相流支路管将两相流汇入两相流母管，两相流母管与气液分离器相连通，气液分离器上设有液位计和安全阀；气液分离器内产生的气体通过供汽管输送给用户，气液分离器内产生的液体通过循环水管流入供水子系统的引射器内；顶紧及隔热子系统包括：取热单元护板、顶紧装置、固定框架、导轨、隔热板；取热单元护板紧贴取热单元，采用镀锌钢板或其它耐腐蚀碳钢板，借助电解铝生产过程的磁场作用，使取热单元与散热窗口的高温壁面实现紧密接触，固定框架安装在散热窗口的上钢板与下钢板上，顶紧装置和导轨安装在固定框架上；隔热板插入导轨，将电解铝槽散热窗口及安装在其中的取热单元、输入管、输出管与外部环境隔离开，起到保温与保护的作用。每个散热窗口配置一套顶紧及隔热子系统；中央控制子系统包括中央控制器、取热单元温度信号线、蒸汽温度压力信号线、水位信号线、加压泵调节控制线、循环水泵调节控制线；中央控制器通过取热单元温度信号线、蒸汽温度压力信号线、水位信号线获取相关信号，通过加压泵调节控制线、循环水泵调节控制线实现水位控制与散热窗口温度控制。

2.根据权利要求1所述的一种可控式电解铝槽散热窗口余热回收装置，其特征在于具体工作过程为：补充水经补充水加压泵提高压力后送入引射器，在引射器的引射作用下，补水与循环水均匀混合后进入循环水泵，经循环水泵再次增压后，混合水进入供液母管，供液母管中的高压水由分液头进入各分液支管，各分液支管的液体水经各分支管路流量调节阀后依次进入各取热单元，在取热单元内吸收各电解铝槽散热窗口的散热量后，部分循环水发生相变，产生水蒸汽，形成气液两相流，从最后一个取热单元流出的气液两相流由各两相流支路管流出，汇入气液两相流母管后进入气液分离器，在气液分离器中实现气液分离，分离出的饱和蒸汽经供汽管供给用户，而分离出的液体水经循环水管进入引射器，如此形成循环，连续不断地从电解铝槽散热窗口吸收余热，将补充水转化为高温高压蒸汽，实现电解铝槽散热能量的合理回收利用。每个取热单元均为空心六面体结构，通过固定在电解铝槽散热窗口框架上的顶紧装置使空心六面体的一侧与散热窗口的高温壁面紧密接触，以导热方式直接将散热窗口的高温壁面的热量传递给取热单元内的流体，实现高效的换热过程。取热支路的数量通过两相流流动与传热过程的优化设计来确定，每个取热支路上的流量调节阀用来调节进入该分支的流量大小，以此来保证各取热支路均匀取热，同时结合循环水泵的流量调节，实现各散热窗口取热量的合理控制，使电解铝槽内形成均匀稳定的温度分布，满足生产工艺要求。中央控制子系统由取热单元温度信号线获得散热窗口温度信号，将此温度与设定的散热窗口温度值进行比较，依据偏差大小，通过循环水泵调节控制线给循环水泵调节信号，改变循环水泵的工作频率以调节循环水量，以此调节每个取热单元的取热量和产生蒸汽的压力与温度，控制散热窗口的取热量，使散热窗口温度控制在设定范围内，保证电解铝槽内部温度分布满足生产要求；由布置在液位计上的水位信号线获取水位位置信号，通过与设定的水位位置进行比较，依据偏差大小，通过加压泵调节控制线给补充水加压泵调节信号，改变补充水加压泵的工作频率以调节补水量，使气液分离器上的水位控制在设定范围内。

3.根据权利要求1-2所述的任意一种可控式电解铝槽散热窗口余热回收装置，其特征在于所述的第一、二、m分支流量调节阀可以用一定长度的细管节流来代替，细管内径与长度需通过模拟仿真或实验来确定；所述的可控式电解铝槽散热窗口余热回收装置中的每个电解铝槽散热窗口中可以采用一个取热单元，也可以采用多个取热单元，取热单元具体尺寸与数量需通过模拟仿真或实验进行优化分析来确定。