CN101044267B - 能量回收和/或冷却的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在至少一个用于生产金属的电解槽(1、51)中的能量回收和/或冷却的方法和系统，所述金属特别地是铝，其中所述电解槽设有一个或多个热交换器，并且其中热交换器介质通过所述热交换器循环并进一步被导向至少一个热量转换单元，诸如膨胀式涡轮机(3)。所述膨胀式涡轮机与压缩机(2)连接，所述压缩机(2)将所述介质供应至所述电解槽(1、51)。在一个实施例中，一个第二膨胀式涡轮机(40)连接至发电机(41)，所述发电机(41)用于产生电能。所述系统基本自驱动并且所述热交换介质优选地是在开放回路中使用的空气。

Description

能量回收和/或冷却的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于生产金属所使用的电解槽的能量回收和/或冷却的方法和系统，其中余热从电解槽提取出以冷却所述电解槽和/或以有利的方式使用余热。

尤其是，本发明包括用于在制铝工业中从电解槽回收余热的方法和系统，以及将回收的热能转化为诸如压力及也可能为电能等其它形式的能量。进一步讲，升高压力的热交换介质可以用于产生电能并且将所述电能供应至电解槽以增大所述电解槽的生产量和/或降低来自普通电网的电能消耗。为了冷却的目的加压的介质可以被导入电解槽。

背景技术

在铝的生产过程中，由于电解过程每生产一千克铝产生的能耗大约为13kWh的电能加上消耗约0.4kg的碳(理论上讲，0.334kg C＝3.15kWh)。生产每千克铝需要的理论焓值为大约6.4kWh。因此，流动通过电解液的电流主要由于电解液的欧姆电阻而产生过多的热量，因此在电解槽中出现能量的损失。

在用于生产铝的电解槽中，有必要使固态电解液的凝固凸缘(ledge)沿着槽膛的侧壁以防止电解槽内衬材料降解及腐蚀。如果电解槽中温度升高，凸缘应当会被熔化，从而电解槽的使用寿命将受到极大的影响。

另一方面，如果电解槽温度太低，尤其是沿着电解槽底部的温度太低，阴极将逐步被凝固的电解液或残渣覆盖，所述凝固的电解液和残渣减小了用于电流分布的有源区域，并因此由于不利的磁流体动力学效应使电阻升高以及能量效率降低。

典型地，热平衡以及由此各电解槽凸缘的厚度由改变通过阳极和阴极之间距离的槽电阻进行调节，而对于串联成排的电解槽中的所有电解槽电流强度是相同的。在电解槽中引入热提取系统对于在供应至电解槽能量和对每个电解槽进行冷却之间保持平衡的方面有困难。另一方面，这样允许更灵活地操作电解槽，包括使用较高的电流强度和对影响冷却条件的电流强度或参数(如室外温度)的变化作出较好的反应。

当对用于生产铝的电解槽进行适当操作时，所提供电能的电流强度和所生产铝的产量之间大体上有一定的比例关系。如果电解槽在尽可能低的电压下操作时，增大电流强度需要保持或甚至增大电解槽的电阻以维持磁流体动力学的稳定性。因此，如果对电解槽不进行其它修改，供应至电解槽的能量增大至接近产量的二次方。作为一种简单的思路，只要通过将余热从电解槽去除而控制电解槽的温度就可以使产量增加。例如通过允许冷却介质在闭合回路中循环可以收集余热，所述闭合回路与电解槽和热交换器中熔融的金属进行热交换。这种热交换器可以设置在电解槽的侧壁中或电解槽的底部中。

现有技术已经提出了几个解决的办法以回收或利用在制铝电解槽中产生的过多的热量。

一般地，当前热量中相对较小的部分被回收，并且被例如用于预热供料和阳极以接近通常在950-965℃范围中的加工温度。

WO 87/00211公开了一种用于电冶金目的的电解槽装置，其中冷却室具有覆盖电解槽表面的一小部分的基部区域。在这些冷却室之间没有任何明显的空间，这些冷却室一起覆盖电解槽表面相当大比例的部分。所述冷却室适于接收冷却介质的通流，所述冷却介质被逐个控制以用于各冷却室。所述冷却介质优选地为氦，并且提取的热量可以通过驱动发电机的涡轮机转化为电能。

本发明的主旨是冷却介质在每个单个生产电解槽的一个闭合回路中循环，因此相同的介质既用于热能的传输还用作发动机中的工作介质，以将热能转化为电能。所述闭合回路在高压下使用氦作为工作介质。这将增大比重并且对于给定的冷却速率减小了速度并降低了气体摩擦。氦与空气比较，具有较高的单位质量热容量以及较低的粘度和较高的导热率。因此，可以增大对于指定区域的传热速率以及温差并且由于必需量的冷却介质通过狭窄通道的传输降低了摩擦损失。从而，可以减小热交换器中所有冷却区域以及有源区域至最小的尺寸，为了生产铝的主要目的而留下最大部分的可用区域。

有关WO 87/00211最重要的问题在于包括所有有关构件，如热交换器、同流换热器、压缩机、涡轮机等装置的闭合回路必须是具有气密性的以防止工作气体向大气泄露，从而导致显著的成本。一些类型的工作气体是较昂贵的。如果使用氦以及所述回路并不是绝对密封的，通过几乎看不见的小孔而累计的泄露随着时间进行意味着费用的损耗，并且所述费用的损耗超过了由于电能的再生产以及由于有效地冷却电解槽在过程控制中的改进得到的收益。

WO 01/94667公开了一种用于生产铝的电解槽以及用于在侧壁上维持壁壳和用于回收电能的方法。电解槽的至少部分侧壁包括一个或多个蒸发冷却面板，所述面板形成第一循环回路的元件。三个单个闭合回路和用于将低温能量释放至大气的单元被指定为完整的解决方案。

对于每个电解槽，需要：

a)多个初级热收集器(在图中示出了14个并联的单元)，使用沸点温度的液态金属作为介质，用于从所述电解槽收集热能。

b)闭合回路，优选地使用惰性气体，所述闭合回路用于从在第一回路的不同单元中的蒸发的液态金属的冷凝中收集热能。

对于第二闭合回路，需要单独的泵用于循环所述气体。

根据WO 01/94667以“45％或更高的效率将热能转化为电能”所表述的意图，显然所述泵的操作温度必须较高，大致约800-900℃，并且热交换器和同流换热器必须非常有效，以及惰性气体可以是氦或氢。

能够在这些条件下进行操作的可靠的泵会面临许多技术性问题，并且不论安装或是操作都基本会面临成本增加的问题。

c)第三闭合回路，(使用惰性气体的第二闭合回路)用于从几个电解槽收集热能。

对于第三闭合回路，压缩机和膨胀式涡轮机将泵送功能和将热能转换为在旋转轴中并且驱动发电机的机械能的转换功能结合。在所述第三闭合回路中还包括用于将低温能量释放至大气的同流换热器和冷却器。

根据如在所附权利要求书中详细描述的本发明，可以克服现有技术的一个或多个缺点，复杂性以及不足。

发明内容

本发明涉及从电解生产槽回收能量。尤其是，本发明适于电解槽的冷却和热量回收以及生产铝的过程。

本发明的主要目的与WO 87/00211和WO01/94667类似，并且本发明基于控制从电解槽去除余热以及将所述热能的大部分转换为机械能的需要。

机械能可以相对容易转化为工业过程中使用的电能、压缩空气和/或其它形式的潜在能量。

与WO 87/00211类似，只有同一种工作介质既用于冷却工业过程使用又作为在用于将收集的热能转化为机械能的发动机的工作介质使用。

然而，本发明与现有技术的区别在于：

本发明基于使用空气作为工作介质的自驱动冷却系统，而在现有技术中使用另一种工作介质(优选地为惰性气体)。

空气是在开路系统中可以进行合理操作的唯一的冷却介质。对于不同于空气的其它冷却介质，所述系统必须在闭路系统中进行操作以防止工作介质向大气的大量损失。

如果在闭路系统的操作过程中泄露突然变大或随着时间变大，工作介质向大气的损失就会产生问题。由于冷却系统应当连续并且不受电解槽操作寿命干扰地进行操作，任何的泄露都会轻易地积累大量(昂贵的)冷却/工作介质(如氦或其它)的损失，由此增大了系统操作的成本。

一些泄露可以进行修复而不会产生太多问题，但是一旦电解槽在操作过程中，与冷却室及它们的相互连接有关的大多数裂缝和泄露实质上是不可能进行修复的。

由于开路系统中的冷却介质始终应当终止于周围大气中，开路系统与闭路系统比较更不易于泄露。在使用寿命中出现的大多数裂缝和泄漏将对电解槽冷却功能造成的影响是可以忽略的，但是许多时候当然会减少所回收的能量(电能、压缩空气等等)的输出。

到目前为止，空气避免作为狭窄通道内的冷却介质，只要所述通道由金属制成并结合在用于电解槽的侧壁内衬中的冷却板中。冷却通道的内表面上的温度偶尔会超过金属性材料会与空气中的氧反应的温度。

如果优化通道的直径和长度以适于使用空气而非惰性气体，空气将收集必要量的余热能，类似使用惰性气体的情形。与使用氦的情形对比，空气的使用将导致在通道直径、通道长度以及摩擦损失方面仅边缘增大。

但是，如果空气在开放回路中使用所获得的最重要的优点是，优选地用于循环空气通过冷却通道的构件已经存在于涡轮增压机中，典型地用于从柴油发动机的废气中回收废能。涡轮增压机的可靠性好并且具有较长的使用寿命。因为涡轮增压机已长期作为工业构件使用，单位单元的成本相对较低。

涡轮增压机的压缩机部件将空气从环境温度和压力压缩至比大气更大的密度，表明空气通过冷却通道的速度降低以及在通道中的摩擦损失将减小。空气通过冷却通道之后，温度升高。摩擦导致压力的损失并且在空气进入涡轮增压机的膨胀式涡轮机之后，附加边缘温度升高。在此所述的条件下冷却电解槽，涡轮机将产生的机械能比操作压缩机所需要的机械能更多。

因此，回收的余热可以转化为压能并且在一个实施例中转化为电能。这种转化可以在热力发动机、涡轮机等中进行。所述涡轮机可被用于驱动压缩机、发电机等。

可选择地，热能可以用于产生蒸气以驱动蒸气涡轮机。在本发明的一个实施例中，回收的能量返回至收集能量的同一个电解槽。在另一个实施例中，能量转化系统服务于多个电解槽或公共电网。热交换回路优选地为开放的。

附图说明

通过附图和实例进一步解释本发明，在附图中：

图1公开了第一实施例，其中能量从能量转化单元中的一个铝电解槽回收，

图2公开了用于从一个电解槽回收能量的第二实施例，

图3公开了用于包括一个燃烧器的能量回收的第三实施例，

图4公开了用于包括两个能量转化单元的能量回收的第四实施例，

图5公开了用于使用一个能量转化单元从多于一个电解槽回收能量的第五实施例，

图6公开了用于使用通常的电能发电机的从多个电解槽回收能量的第六实施例，

图7公开了用于从多个电解槽回收能量的第七实施例，其中所述回路的一个冷端的至少一部分是共同的。

具体实施方式

如图1所示，制铝电解槽1设有用于循环介质的管道6、8。管道6设置在回路的冷端，而管道8设置在热端。所述介质可以是气体，优选地为空气，也可以使用具有合适性质的其它气体。在电解槽中，设置有热交换器(未示出)。

从电解槽出来的加热的介质被传送至膨胀式涡轮机3，所述膨胀式涡轮机3例如通过轴4与压缩机2机械地连接。压缩机2的出口优选地经由一个止回阀7连接至管道6，以将介质循环至设置在电解槽1中的热交换器。所述压缩机具有使外界空气进入的入口5，优选地在经过过滤器和除雾器(未示出)调节之后进入。在空气进入一个排气管9之前，在涡轮机的出口侧可以设置节流阀10。

图2基于与如图1所示的相同的原理，只是另外设置一个在管道之间的具有控制阀20的支路，所述控制阀20将介质导向电解槽1或从电解槽1导出。包括阀20的支路的作用是使介质通过旁路从冷端直接到热端，而不穿过电解槽中的热交换器，所述阀可以控制冷却介质流动通过电解槽1，并且以这种方式控制冷却效果。

图3基于与如图2所示的原理，另外管道在电解槽1的热端处包括燃烧器30。所述燃烧器经由以上提到的支路被供给含有氧气的气体，如空气。燃烧器的作用是升高从电解槽回收的气体的能量水平(温度)，以确保膨胀式涡轮机更可靠及有效的操作。所述燃烧器可以保持膨胀式涡轮机的入口温度在恒定水平上，而与电解槽出口温度无关。另外，燃烧器可以用于电网的电价较高的情况下或电能不足的情况。

图4公开了基于如图3所示的原理的第四实施例。在图4中，离开电解槽1的回路的热端除了具有燃烧器30和有排气管9的涡轮机3以外，还具有与设置在所述排气管下游的发电机41连接的额外的涡轮机40。所述实施例能够使回收的电能返回至电解槽以支持电解过程。

在图5中，示出了基于如图3所示的实施例的原理的实施例。除了如图3所示的实施例的元件以外，一个或多个额外的电解槽51通过分别与管道6和管道8连通的管道52(冷端)和管道53(热端)并联至基本回路。在冷端，所述电解槽1、51之间的连接处设置有三通阀50以控制在相邻管道中的循环介质的量。将多个电解槽连接至同一能量回收单元的优点在于多个电解槽将向有助于使单个电解槽的实际性能均等，并且回收单元将具有更稳定的操作条件。进一步讲，使用一个较大型的压缩机/涡轮机单元为多个电解槽工作可以降低投资成本。但是，一个缺点在于所述电解槽需要更复杂的管道系统。在电解槽的冷端而不是热端设置控制阀将显著地减小投资。

图6是基于通过管道52、53结合多个电解槽1、51的如图5所示的实施例的原理，并且其中热端管道8包括燃烧器、具有排气管9的膨胀式涡轮机。所述排气管还与驱动一个发电机41的第二膨胀式涡轮机40连接。所述实施例能够使回收的电能返回至电解槽以支持电解过程。

图7公开具有两个电解槽1、51的装置，所述两个电解槽1、51在它们的冷端互相连接。所述两个电解槽1、51具有一个压缩机2、72和膨胀式涡轮机3、73装置，其中所述膨胀式涡轮机经由轴4、74驱动压缩机。所述电解槽进一步具有连接压缩机2、72和电解槽1、51的冷端管道6、76以及连接电解槽1、51的热端和涡轮机3、73的热端管道8、78。

在回路冷端处的管道6、76中，设置有三通阀81、82，所述三通阀允许冷的、加压的剩余介质分流出。所述分流出的冷的介质在一个管道80中收集，并被进一步导向与发电机71连接的压力转换单元70。多于两个电解槽中的过量的压缩空气可以被连接至管道80。所述压力转换单元可以是诸如煤气发动机、空气涡轮机等的膨胀式发动机。该实施例的优点在于，温度较低的空气在管道80中传送，而不是如在前实例所示的排出的空气具有较高的温度。

温度较低的空气与温度较高的空气相比，每单位质量的体积较小。这样对于给定的流管几何形状和给定的质量流量，降低了管道中的气流速度。与传送温度较高的空气相比，减小了摩擦损失。由于温度较低，需要较少并且较便宜的绝热材料就能保持热损失较低。

可以确定如以上实施例所述的热力发动机(涡轮增压机或压缩机/膨胀式涡轮机)的大小，用于压缩空气以达到典型地为3-5巴过压。由此，温度从环境温度升高至典型地为200-300℃。由于所述温度高于环境温度，当冷却介质进入冷却通道时，由于温度骤变而导致的材料压力减小。压缩的空气在多个包括冷却通道的热交换器之间分配，所述热交换器优选地是为包括在本申请人的专利申请NO 20031220中的类型。所述压缩的空气从电解槽提取余热，并因此使侧壁冷却。

通常需要仅仅部分的所收集能量以克服冷却通道中的压力损失。在一些通道中可能有一些裂缝及小的泄露，其将导致压力损失。当空气被加热时，空气的体积增大。因此，在热力发动机的膨胀部件中产生的机械能比驱动压缩机需要的机械能更多。这意味着仅仅需要在膨胀部件之前存在的部分过压以驱动压缩机。

在此我们有以下选择：

a)发电机可连接至热力发动机。膨胀机现将产生电能。

b)可与压缩机连接，产生压缩空气。

c)液压泵可以产生液压能。

d)第二膨胀机与第一膨胀机串联，并由此在两个分离的单元之间分配总的压力势能。

进一步讲，应当理解涡轮增压机单元优选地为市场上可以购买到的类型，与使用在具有涡轮增压内燃机的重型载货汽车或船用马达的涡轮增压机单元相似。因此，通过使用商业模块可使成本维持在可行的水平。

电动机-发电机(未示出)可被直接驱动或经由通过涡轮增压机的轴的传动来驱动，以便当需要时辅助泵送/压缩的作用。在启动条件时或当大量的热必须从电解槽去除时就会有这种需要。进一步讲，当可能时可以利用发电机提取过量的能量。因此，电动机-发电机可以通过计算机等控制，并由此用于控制介质通过电解槽的流动。

Claims (14)

1.一种在至少一个用于生产铝的电解槽(1、51)中回收能量和/或冷却的方法，其中所述电解槽设有一个或多个热交换器，并且其中空气通过所述热交换器循环并进一步被导向到膨胀式涡轮机(3)，所述膨胀式涡轮机(3)通过一个轴(4)与压缩机(2)机械地连接，

其特征在于，

所述压缩机(2)将升高压力的空气供应至所述电解槽(1、51)，从而以基本自驱动的方式与所述电解槽进行热交换并冷却所述电解槽，电动机-发电机与所述膨胀式涡轮机(3)和所述压缩机(2)机械地连接，电动机-发电机进一步设置成控制空气通过电解槽的流动。

2.如权利要求1所述的方法，

其特征在于，

所述空气在进入所述膨胀式涡轮机(3)之前被引导通过燃烧器(30)，用于升高所述空气的温度。

3.如权利要求1所述的方法，

其特征在于，

所述升高压力的空气在供应至所述电解槽(1、51)之外剩余的冷的空气被引导通过阀(81、82)，再进入将热量/压力转换为电能的转换单元(70)。

4.一种在至少一个用于生产铝的电解槽(1、51)中回收能量和/或冷却的系统，其中所述电解槽具有一个或多个热交换器，并且其中空气通过所述热交换器循环并进一步被导向到膨胀式涡轮机(3)，所述膨胀式涡轮机(3)通过一个轴(4)与压缩机(2)机械地连接，

其特征在于，

所述压缩机(2)供应升高压力的空气，用于与所述电解槽(1、51)进行热交换，电动机-发电机与所述膨胀式涡轮机(3)和所述压缩机(2)机械地连接，电动机-发电机进一步设置成控制空气通过电解槽的流动。

5.如权利要求4所述的系统，

其特征在于，

所述空气在一个回路(5、6、8、9)中循环，所述回路对环境开放。

6.如权利要求4所述的系统，

其特征在于，

一燃烧器(30)设置在所述电解槽(1、51)和所述膨胀式涡轮机(3)之间。

7.如权利要求4所述的系统，

其特征在于，

一个第二膨胀式涡轮机(40)设置在所述膨胀式涡轮机(3)的下游。

8.如权利要求7所述的系统，

其特征在于，

所述第二膨胀式涡轮机(40)与一个发电机(41)连接，用于产生电能。

9.如权利要求8所述的系统，

其特征在于，

所述产生的电能被返回至所述电解槽或公用电网。

10.如权利要求4所述的系统，

其特征在于，

由所述压缩机(2、72)加压的冷的空气在膨胀式发动机(70)中膨胀，所述膨胀式发动机(70)驱动一个发电机(71)。

11.如权利要求4所述的系统，

其特征在于，

所述热交换器由陶瓷材料制成。

12.如权利要求4所述的系统，

其特征在于，

所述热交换器由碳化硅制成。

13.如权利要求4所述的系统，

其特征在于，

进入热交换器的空气的压力在3bar到5bar之间。

14.如权利要求4所述的系统，

其特征在于，

进入热交换器的空气的温度在200℃到300℃之间。

Images