一种利用铝电解废热加热阳极炭块的系统及方法与流程

本发明属于冶金，尤其涉及一种利用铝电解废热加热阳极炭块的系统及方法。

背景技术：

1、铝电解过程中，每吨铝的生产消耗约13500kwh的电能，由于电解铝工艺余热回收技术及废热利用工艺的不足，其中近一半的电能量以热量的形式耗散损失。铝电解槽各部分的散热比例由电解槽自身的结构所决定，据测量情况分析，电解槽所散发掉的热量中：电解槽烟气占24％、顶部占25％、侧部占37％、底部占14％，可见侧部余热损失最为严重。按照2022年中国原铝产量计算，铝电解槽因侧部余热未回收而损失2.06×1010kwh的电能，折算年损失超百亿元，造成能源的严重浪费。

2、铝电解槽侧部余热是通过槽壳侧壁自热对流的形式扩散出来，铝电解槽侧壁结构主要包括保温砖、耐火砖、防渗料、钢板等，槽内部950-970℃的高温热量透过多层侧壁传递，最终使槽壳侧部钢板外侧温度高达350℃，其余热的回收具有很高的利用和应用前景，所以铝电解槽侧部余热回收利用技术的研发具有很高的经济价值和社会效益，也是响应国家节能减排的重要举措。

3、现有技术的方案有：

4、(1)2006年中南大学，利用热声热机将侧部散热转换为声能，热换介质是氮气、氦气等惰性气体。

5、(2)2008年东北大学，将冷却装置安置在电解槽槽壳内侧，对侧部散失热量进行回收，热换介质是nano2熔盐体系。

6、(3)2013年中南大学，利用槽侧部采用半导体余热温差发电，无热换介质。

7、(4)2019年中南大学，利用槽侧部余热有机朗肯循环发电，热换介质是有机工质。

8、现有技术方案存在的技术缺陷是：

9、(1)利用热声热机将侧部散热转换为声能技术，虽热声技术回收效率可达30％，但热声技术对材料高度依赖，成本高，且易泄露，不适宜铝电解大工业环境。

10、(2)将冷却装置安置在电解槽槽壳内侧，对侧部散失热量进行回收技术，虽换热温度高，余热利用应用范围广，但换热装置需安置在电解槽内部，对本就难以加工的侧部提高难度，且易出现熔盐介质泄露腐蚀、漏炉等风险。

11、(3)利用槽侧部采用半导体余热温差发电技术，虽直接以电能形式回收废热，但换热效率极低，通常在8％以下。

12、(4)利用槽侧部余热有机朗肯循环发电技术，虽直接以电能形式回收废热，但换热工质易泄露，风险较大，且汽轮机等装置复杂、成本高、维护难度大。

13、铝电解阳极炭块需定期更换，更换下来的残极有高温和高粉尘特点。以往一般就放在阳极炭块组旁边自然冷却和随意排放，待阳极炭块组托盘全部换为残极时，由专用转运车辆运走。近年由于环保要求，新建电解铝厂设计残极冷却箱，高温和高粉尘通过管道输送至电解烟气净化系统管网内，但该残极冷却箱数量有限和操作不便，实际使用效果不理想。

14、现有技术提出铝电解槽烟气预热阳极炭块的探索研究，主要是应用热传递原理，建立余热回收热交换的数学模型，以此对余热回收的效率进行计算，结果表明余热回收效率较低，要完全达到回收阳极余热的要求，尚需要加入外部的热源。

15、铝电解槽烟气预热阳极炭块的探索研究存在以下缺陷：烟气温度偏低，因集气罩不是封闭结构，大量常温空气与高温烟气结合后的温度一般在130摄氏度以内；烟气通过长距离管道输送，一般管道至少300-500米以外，热损失较为严重，且改烟气无法做到循环和累积热量，因该烟气中有hf、so2等成分需净化处理。集中存放阳极炭块的厂房空间较大，即使采用保温措施，热损更为严重。烟气温度加热炭块温度有限，且经阳极炭块运输或放置电解槽旁较长时间后，热量损失殆尽。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种利用铝电解废热加热阳极炭块的系统及方法。利用自然空气作为传热介质，不存在泄露等安全风险。换热装置安置在电解槽外侧部，对电解槽的内部结构和工艺影响极小。本发明直接利用余热加热电解槽所需的阳极炭块，工艺简单、可靠性强。

2、本发明通过空气可对铝电解槽侧部温差较大区域进行温度补偿和平衡，同时对温度的调整，反向对电解槽侧部温度进行控制，有利于电解槽内部炉帮的规整度、厚度的调整，从而达到电流均匀分布，节约电能的目的。

3、定期更换出的阳极炭块残极具有高温、高粉尘特点，本发明能够将其中的高温余热再次利用，同时解决粉尘散排和阳极炭块残极的冷却问题。

4、保温箱外排的热空气可高效利用。因保温箱外排热空气的地方处于安全区域，可继续采用高效的热传递介质，集中高效充分利用外排废热。

5、本发明采用如下技术方案：

6、一种利用铝电解废热加热阳极炭块的系统，包括热交换器、热风管道、回风管道、保温箱、阳极炭块组。

7、热交换器，多个热交换器安装在电解槽侧部外壳上，其中热交换器中的散热片通过导热材料固定在电解槽侧部外壳上；

8、热风管道，一端与热交换器的出风管连接，另一端连接至保温箱内；

9、回风管道，一端与热交换器的进风管连接，另一端连接至保温箱出口；

10、保温箱，阳极炭块组放置于保温箱内，仅在使用时打开。

11、进一步的，还包括调温装置ⅰ，调温装置ⅰ安装在保温箱上，与保温箱连通；回风管道调整为：一端与热交换器的进风管连接，另一端连接至保温箱的调温装置ⅰ。

12、进一步的，还包括安装在回风管道上的循环风机和/或安装在热风管道上的循环风机，系统设定所需温度和风量经回风管道和/或热风管道、循环风机加压回风至电解槽侧部热交换器。

13、进一步的，阳极炭块残极也一并放置于分区的保温箱内。

14、进一步的，当保温箱内放置阳极炭块残极时，回风管道一端与热交换器的进风管连接，还包括：

15、除尘器，安装在保温箱上，与保温箱相连通，用于循环空气除尘和外排空气除尘；

16、调温装置ⅱ，安装在除尘器后，安装在除尘器后，一端与除尘器相连通，另一端通过管道ⅰ与循环风机相连，用于调节循环空气的热量；

17、循环风机，循环风机另一端与回风管道连接；

18、外排风机，外排风机一端与除尘器连通，外排风机另一端与余热回收装置连通。

19、进一步的，在保温箱内还安装有加热装置，用于对阳极炭块组进行额外补充加热。

20、进一步的，所有电解槽侧部外壳均安装有热交换器，热交换器的数量根据电解槽侧壁槽型设计决定。

21、进一步的，热交换器安装在铝电解槽侧部温度不同的位点以及铝电解槽的进电侧和出电侧。

22、进一步的，热风管道和回风管道外包裹有保温材料。

23、进一步的，保温箱位于电解槽旁。

24、一种利用铝电解废热加热阳极炭块的方法，包括以下步骤：

25、步骤1.安装好铝电解废热加热阳极炭块系统，利用电解槽侧部高温废热传导至热交换器中加热循环空气；

26、步骤2.加热后的循环空气通过出风口进入热风管道，通过热风管道进入保温箱内；

27、步骤3.循环空气对保温箱内的阳极炭块组(未使用的)进行加热，冷却后的空气经调温装置ⅰ回风管道再次送入热交换器中加热。

28、进一步的，利用安装在回风管道上的循环风机对循环空气进行加压再次送入热交换器中加热。

29、进一步的，当保温箱分至少二个以上独立区域，电解槽使用的阳极炭块残极也一并放置在保温箱内时，利用阳极炭残极高温废热封闭加热低温阳极炭块组；

30、当保温箱内的其中一个区域放置阳极炭块残极温度过高达到设定值时，关闭除尘器入口，高温气体在保温箱内继续加热阳极炭块，回风则经另一个独立区域的调温装置ⅰ调整进入回风管道的风量和温度，将所需的温度和风量经回风管道和循环风机加压至电解槽侧部热交换器；

31、当保温箱内放置的阳极炭块残极随时间降至设定值时，打开除尘器入口，多余的热空气经外排风机排出，剩余的回风经过调温装置ⅱ调整风量和温度，将需要的温度和风量经回风管道和循环风机加压至电解槽侧部热交换器；

32、保温箱多个独立区域循环切换。

33、进一步的，保温箱内阳极炭块未达到电解时所需温度时，可选择通过加热装置对阳极炭块进行额外补充加热使其满足使用时的温度。

34、本发明的有益效果：

35、本发明结构简单，热传递介质为空气，安全可靠，直接利用废热，投资成本低。围绕铝电解工艺装备现状和工艺迫切需求，与现有技术或发明相比有以下优点：(1)利用电解槽侧部废热加热阳极炭块，效益最为直接，而非其它类似发明基本用于发电间接利用。(2)同时充分利用保温箱、除尘器和调温装置等将阳极炭块残极废热直接利用，粉尘统一处理，减少了残极冷却系统的投资。(3)利用可调循环风量和温度，平衡温差区域和调整电解铝侧部温度的功能。(4)保温箱结合了循环空气等加热技术，补充加热的特殊要求。(5)经保温箱外排的废热气体可再次高效集中回收利用。

36、本发明避免了铝电解槽烟气预热阳极炭块的探索研究的问题，且结构合理简单，便于应用。废热的利用区域是电解槽侧部温度偏高区域(即热量损失最为集中区域)，且温度稳定持续；输送热量的管道距离较短，一般在35米以内，且该管道采用循环方式，极容易形成热量累积和热量高低平衡点。本发明的保温箱空间较小，且在电解槽旁边，加热时间较短，热损较小。加热后的阳极炭块只有使用时才打开保温箱取出，极短时间安装到电解槽内，暴露常温环境时间较短，热损较小。

37、术语解释：

38、电解铝：现代工业冶炼原铝工艺唯一的方法是霍尔－埃鲁铝电解法，由美国的霍尔和法国的埃鲁于1886年发明。霍尔－埃鲁铝电解法是以氧化铝为原料、冰晶(na3alf6)为熔剂组成的电解质，在950－970℃的条件下通过电解的方法使电解质熔体中的氧化铝分解为铝和氧，铝在碳阴极以液相形式析出，氧在碳阳极上以二氧化碳气体的形式逸出。

39、铝电解槽：是铝电解生产的主要热工设备。在电解槽中，溶融冰晶石是溶剂，氧化铝作为溶质溶解在其中，以预焙阳极炭块作为阳极，铝液作为阴极，通入强大的直流电后，在950-970度下在电解槽的两极上进行电化学反应，在阴极得到铝液，在阳极得到气体，其铝电解过程即在电解槽内发生。

40、阳极炭块：是指以石油焦、沥青焦为骨料，煤沥青为黏结剂生产的炭块，用作预焙铝电解槽做阳极材料。这种炭块已经过焙烧，具有稳定的几何形状，所以也称预焙阳极炭块、习惯上又称为铝电解用炭阳极。

41、阳极炭块残极：阳极炭块在电解铝过程中，会逐渐被消耗而形成残极。

42、保温箱：用于对阳极炭块组存放、保温、除尘的箱体。同时也存放阳极炭块残极，且回收其烟尘和余热。

43、炉帮：电解槽生产指标取决于炉膛内的规整度，炉帮空或炉底不平，电压稳定性差，铝液波动较大，加剧铝的二次反应，降低电流效率，若要维持正常运行，则需提高电压，加剧了能源消耗。而较好的炉帮，能起到电解槽的保温，降低了热量损失，从而降低电压，减少侧部水平电流，降低空耗。