风冷式铝电解槽废热利用装置.pdf

本发明公开了一种风冷式铝电解槽废热利用装置，其特征在于，包括热电模块和冷却装置以及电池或负载，该热电模块的高温端紧贴固定在电解槽外壁，低温端接冷却装置，所述的冷却装置为以鼓风机产生的高压冷空气为冷源，应用风管和多个喷嘴，把高压冷却空气喷到热电模块的冷端的热管散热器件，高压冷却空气的流速可调，用于调节通过热电模块散发的热量，从而控制电解槽外部的温度。所述的热电模块的电压引出端接电池或负载；所述的热电模块为多个，以串联、并联或串联及并联相结合的方式相互连接。该风冷式铝电解槽废热利用装置能降低铝电解过程的能源消耗，提高铝电解能量利用率0.5～5％，且本发明由于引入了铝电解槽热平衡控制系统，在利用热能产生电能的过程中不会影响原有的铝电解生产过程。

1、  一种风冷式铝电解槽废热利用装置，其特征在于，包括热电模块、控制热能输出的冷却装置以及电池或负载，该热电模块的高温端紧贴固定在电解槽外壁，低温端接冷却装置，所述的热电模块的电压引出端接电池或负载；所述的冷却装置包括设置在所述热电模块的低温端的热管散热器件；鼓风机；连接鼓风机的鼓风管，该鼓风管的喷嘴安装在热管散热器件正对位置；固定在铝电解槽外壁的温度传感器；控制器，该控制器的输入端连接所述温度传感器的输出端，该控制器的输出端连接所述的鼓风机的转速控制端。

2、  如权利要求1所述的风冷式铝电解槽废热利用装置，其特征在于，所述的热电模块为多个，以串联或并联或串联及并联相结合的方式相互连接。

3、  如权利要求1所述的风冷式铝电解槽废热利用装置，其特征在于，电解槽侧部的热电模块的高温端工作温度为200～500℃，电解槽底部的热电模块的高温端工作温度为50～150℃。

4、  如权利要求1所述的风冷式铝电解槽废热利用装置，其特征在于，热电模块高温端与低温端维持60～100℃的温度差。

5、  如权利要求1所述的风冷式铝电解槽废热利用装置，其特征在于，控制器为PID控制器、模糊控制器或神经网络控制器，或者综合PID控制策略、模糊控制策略和神经网络控制策略的控制器。

6、  如权利要求1～5任一项所述的风冷式铝电解槽废热利用装置，其特征在于，所述的热电模块和电池或负载之间串联有稳流装置或稳流装置。

风冷式铝电解槽废热利用装置
技术领域
本发明涉及一种风冷式铝电解槽废热利用装置。
背景技术
我国电解生产金属铝过程，大多采用预焙阳极铝电解技术，电解温度为950℃左右，铝电解槽的平均电能利用率为48％左右，铝电解槽侧壁温度约300℃，槽底温度约90℃，槽上部排气管道约150℃的温度，有一半以上的能量以废热的形式散发到环境中，造成巨大的能源浪费，且对环境造成热污染。而且由于废热利用对电解槽本身的温度场分布和维持电解生产过程的能量平衡会造成复杂的影响，甚至会使得电解过程不能正常进行，因此，到目前为止尚无对铝电解槽废热的利用的相关报道。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题是提供一种风冷式铝电解槽废热利用装置，该装置在维持电解槽热平衡的基础上利用废热产生电能，即首先满足铝电解工艺过程对铝电解槽内热平衡的要求，其次再利用其散发的废热进行转化。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种风冷式铝电解槽废热利用装置，其特征在于，包括热电模块、控制热能输出的冷却装置以及电池或负载，该热电模块的高温端紧贴固定在电解槽外壁，低温端接冷却装置，所述的热电模块的电压引出端接电池或负载；所述的冷却装置包括设置在所述热电模块的低温端的热管散热器件；鼓风机；连接鼓风机的鼓风管，该故风管的喷嘴安装在热管散热器件正对位置；固定在铝电解槽外壁的温度传感器；控制器，该控制器的输入端连接所述温度传感器的输出端。
该控制器采用PID、模糊控制或神经网络控制策略，或者上述多种控制策略的组合，上述控制策略根据电解槽的大小、槽型以及工艺条件确定。该控制器的输出端连接所述的鼓风机的转速控制端，用于控制冷却空气的流量。本发明的冷却装置具有控制铝电解槽外壁温度的功能
作为改进，所述的热电模块为多个，以串联或并联或串联及并联相结合的方式相互连接。
根据铝电解槽温度分布的具体情况，安装于电解槽侧部的热电模块的高温端工作温度优选为200～500℃，安装于电解槽底部的热电模块的高温端工作温度优选为50～150℃。
热电模块高温端与低温端优选维持60～100℃的温度差。
作为改进，所述的热电模块和电池或负载之间串联有稳流装置或稳流装置。
本发明所具有的有益效果有：
本发明通过对电解槽废热的利用，能降低铝电解过程的能源消耗，能提高铝电解能量利用率0.5～5％，由于电解铝是高耗能过程，因此能降低能源消耗，其意义尤为重大。现有的一些废热利用并没有考虑到铝电解槽的正常工作状态下热平衡的要求，且废热利用过程中，会对电解槽产生复杂的影响，很可能使正常的生产过程无法进行。本发明充分考虑了铝电解槽工作温度，热平衡条件的要求，将热电模块和冷却装置巧妙地结合，引入了铝电解槽热平衡控制系统，有利于电解槽电解温度的控制，尤其是侧部，底部温度的控制，从而控制炉帮的厚度，形成规整的炉膛内型，有效提高铝电解槽的使用寿命，在利用热能产生电能的过程不会对原有的铝电解过程产生任何不良影响。
附图说明
图1为本发明的总体结构框图；
图2为热电单元示意图；(1-导热陶瓷，2-导电铜片组成)
图3为热电模块示意图；(3-热电单元)
图4为本发明的实施例的具体结构图(4-热电模块，6-温度传感器，7-铝电解槽)；
图5为本发明的实施例的冷却装置的自动控制示意图；
图6为本发明热电模块风冷装置示意图。(8-热管散热器件，9-鼓风管，10-鼓风机，11-喷嘴)
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
本发明的总体结构框图如图1所示，该装置包括热电模块、冷却装置、稳压或稳流装置以及电池或负载；热电模块的低温端(即冷端)连接冷却装置，热电模块高温端(即热端)固定在铝电解槽外壁上，热电模块将热能转化为电能且其电压引出端通过所述的稳压或稳流装置向电池或负载输出电能。
热电模块的工作原理：每块热电模块(热电材料)如图3所示，由几十至几百个热电单元3组成，热电单元如图2所示，其中上下两端各设有导热陶瓷1以及导电铜片2，每个热电单元由一个p型半导体和一个n型半导体组成，冷端(图2的上端)接低温区，热端(图2的下端)接高温区，冷端p型半导体和n型半导体通过导体连接，热端接外电路，当热端与冷端存在温差时，则热端的p、n半导体外接引线向外输出电能。由于电压较低，需要通过串联提高其输出电压。所使用的热电模块由厦门纳米克热电电子有限公司生产，型号为TEP1-12656-0.6，或采用河南安阳市以太科技中心生产的产品，型号为TECI-03180T125。
我国目前采用的铝电解槽多为预焙阳极铝电解槽，由于电解槽阳极，电解质，阴极等都存在电阻，在电解过程中，大电流通过时产生巨大的热量，采用下部保温，上部抽风散热的方式，维持整个电解槽的热平衡，其正常电解温度为950℃左右，槽底温度为70～110℃，槽侧部为200～400℃，与环境有较大的温差。
应用高温端工作温度为400℃左右的温差发电模块，采用粘接或螺丝固定于电解槽侧部，高温端工作温度为100℃左右的温差发电模块以同样的方式固定于电解槽底部。热电模块之间的间距为0.5～3cm，以泡沫水泥等绝热材料填充。
热电模块发出的电压为
V＝S*(T_高-T_低)
其中，*为乘法号，S为热电模块的转换系数(即Seebeck系数)，T_高和T_低分别为热电模块高温端、低温端的温度。
电解槽通过热电模块散发热量为
Q_放＝c*m*(T_高-T_低)
其中，c为介质的比热，m为流过的导热介质的质量，从上式可知，调节流过的导热介质的流量，即可调节散出的热量，从而维持电解槽温度在所控制的范围。
实施例1：
针对一台240kA预焙阳极铝电解槽：
槽侧部面积+槽底部面积为2.11*10⁶mm²，每片热电发电模块：40*40*4mm³，当热端与冷端维持60～100℃的温度差时，热电模块的输出电压为4～6V，电流为3～5A。
以平均利用槽底槽侧面积的70％，安装2.11*10⁶*70％/1600＝9.23*10²(片)，应用高温端工作温度为400℃左右的温差发电模块(热电模块)，采用粘接或螺丝固定于电解槽侧部，高温端工作温度为100℃左右的温差发电模块(热电模块)以同样的方式固定于电解槽底部。热电模块之间的间距为0.5～3cm，以泡沫水泥等绝热材料填充。
热电模块低端温度可调，低温端以风冷式冷却装置来冷却，维持一定的温度：低温端上安装市场能购得的热管散热器件8，并安装鼓风机10和连接鼓风机的鼓风管9，在每个热管散热器件8正对位置安装鼓风管9的喷嘴11，维持低温端的温度。在电解槽外表面与热电模块的高温端之间固定温度传感器6(在铝电解槽的底部和侧部都设有温度传感器)，应用自动温度控制装置，通过调节鼓风机10的转速，调节吹向热电模块冷端的空气流量，从而调节带走的热量，保证铝电解槽热量平衡的基础上把热能转化为电能。由温度传感器、热管散热器件、鼓风机、鼓风管和控制器组成自动控制系统，控制铝电解槽的散热量，维持电解槽表面温度在一定范围内(即控制铝电解槽侧壁的温度为200～400℃，控制铝电解槽侧壁的温度为70～110℃)，从而满足铝电解的正常温度要求。本实施例根据温度测定值与设定值的差值，基于确定的PID控制规策略实现自动控制，其自动控制过程示意图如图5所示，其中的调节器可以是鼓风机的转速调节装置，如变频器等。
采用的热电模块为40*40*4～60*60*9mm³，当热端与冷端维持60～100℃的温度差时，热电模块的输出电压为4～6V，电流为3～5A。
热电模块串联提高其输出电压到额定要求，并联方式达到所需直流电电流范围。
如果将热电模块的输出电流用于240kA电解槽，则采用1000个热电模块并联，通过现有的铝电解槽稳流装置向电解槽提供稳定直流电。
另一种输出电能方式是：将输出电压经市售交直流逆变电路进行升压或降压，获得稳定的输出电压，储存于Ni-H二次电池或其它二次电池。