鋁電解槽余熱回收利用的基礎(chǔ)研究

王兆文,高炳亮,石忠寧,胡憲偉,于亞鑫,陳廣華,王 超,陶文舉

（東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院,沈陽 110004）

鋁電解槽余熱回收利用的基礎(chǔ)研究

王兆文,高炳亮,石忠寧,胡憲偉,于亞鑫,陳廣華,王 超,陶文舉

（東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院,沈陽 110004）

提出了利用熔鹽換熱系統(tǒng)回收利用鋁電解余熱的技術(shù)觀點(diǎn),并提出鋁電解槽余熱回收與氧化鋁生產(chǎn)管道化熔出利用余熱相結(jié)合的熔鹽介質(zhì)循環(huán)體系.系統(tǒng)地研究了換熱系統(tǒng)與電解槽結(jié)構(gòu)結(jié)合的問題,電解槽溫度場(chǎng)優(yōu)化的問題,換熱介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)等問題.完成了 2000A新型可換熱鋁電解槽的研制和試驗(yàn)工作,試驗(yàn)結(jié)果表明該電解槽可以平穩(wěn)的運(yùn)行,并可成功回收側(cè)部散熱量的 80%,在回收熱量的同時(shí),還可以通過換熱系統(tǒng)的運(yùn)行,來人為控制電解槽的側(cè)部結(jié)殼厚度,實(shí)現(xiàn)鋁電解槽爐幫的可控制.

2008年我國原鋁產(chǎn)量已經(jīng)超過 1310萬 t,產(chǎn)能接近 2000萬 t,消耗的電量占當(dāng)年全國發(fā)電量的 7%,電力消耗巨大.但鋁電解工業(yè)的能量利用率還很低,不到 50%.也就是說鋁電解工業(yè)消耗的電能只有一少半用來分解氧化鋁生產(chǎn)金屬鋁,有一大半的電能是以熱的形式在電解槽上散發(fā)出去消耗掉了.因此回收這部分熱量就成為鋁電解工業(yè)亟需解決的問題.

鋁電解余熱回收技術(shù)的開發(fā),就是要以現(xiàn)有的大型預(yù)焙電解槽為基礎(chǔ),在電解槽的側(cè)部?jī)?nèi)安裝換熱器,用高溫?fù)Q熱介質(zhì)將電解槽的側(cè)部散熱交換出來,加以利用.同時(shí)利用換熱系統(tǒng)的換熱量控制,來調(diào)節(jié)電解槽內(nèi)部的結(jié)殼,控制槽膛內(nèi)型,保持電解槽高效運(yùn)行.余熱回收利用技術(shù)的開發(fā)需要解決的主要問題有:換熱系統(tǒng)與電解槽結(jié)構(gòu)結(jié)合的問題,電解槽溫度場(chǎng)優(yōu)化的問題,換熱介質(zhì)的研究及余熱利用的問題、電解槽安全穩(wěn)定運(yùn)行與故障診斷等問題.本文的工作就是在國家“863”計(jì)劃的支持下,對(duì)鋁電解的換熱技術(shù)基礎(chǔ)問題進(jìn)行了研究,得到了一些創(chuàng)新性成果.

1 新型換熱式鋁電解槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

近 10年來,在鋁電解槽側(cè)部熱量回收研究方面有很多工作,這些工作對(duì)鋁電解余熱回收利用的研究都具有積極作用,但由于一些具體的原因,這些技術(shù)還沒有在工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用.在國外這些技術(shù)主要以海德魯公司和波茲涅公司的技術(shù)為代表 （見圖 1,圖 2）.

挪威海德魯鋁業(yè)公司的 O le-Jacob等人在電解槽鋼殼內(nèi)側(cè)直接采用碳化硅成型冷卻裝置,用于回收電解槽側(cè)部散失的熱量.法國彼施涅公司的 Lam azeA iry-Pierre和 LaucournetR ichard研制一種余熱回收型換熱槽,其思路是在電解槽槽殼外部安置足夠多的多孔性材料層,通過在該層中投入空氣、金屬蒸氣等方法回收電解槽側(cè)部散失的熱量.從換熱器安裝的位置來看,安裝在槽殼外面,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作控制方便,缺點(diǎn)是換熱溫度較低,余熱利用困難.安裝在內(nèi)部碳化硅結(jié)構(gòu)里,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,但換熱溫度高,便于提高換熱效率和方便能量使用.從換熱介質(zhì)來看,大多采用氣體,主要是空氣,也有采用水的.采用氣體換熱,優(yōu)點(diǎn)是安全方便,可以換出溫度較高的氣體,缺點(diǎn)是高溫氣體的傳輸距離較短,使其利用受到局限,目前只是利用其余熱陽極和氧化鋁物料.

在國內(nèi)東北大學(xué)于 2002年開始了這方面的研究,近年來在國家重大技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持下,加快了這方面的研究.我們采用的換熱器結(jié)構(gòu)是在鋼殼內(nèi)部,保溫層里面碳化硅磚外面的位置 （見圖 3）,由于在外面加了保溫層,所以換熱器的換熱溫度較高,可以保證換熱介子有較高的溫度,便于余熱利用.對(duì)于換熱介質(zhì)我們采用熔鹽高溫?fù)Q熱介質(zhì),使介質(zhì)出口溫度達(dá)到 350℃以上,保證了換熱介質(zhì)的使用.這種換熱介質(zhì)的最直接的、現(xiàn)實(shí)可行的應(yīng)用就是送到氧化鋁管道化溶出過程,這對(duì)我國電解鋁廠和氧化鋁廠建在一起的企業(yè)具有現(xiàn)實(shí)意義.這樣就可以保證鋁電解槽換出的熱量,可以大規(guī)模利用,這對(duì)我國鋁工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步都具有重要的意義.當(dāng)然 400℃的熔鹽用來發(fā)電,在技術(shù)上也是可行的.

圖 3 鋁電解槽的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 新型鋁電解槽溫度場(chǎng)的模擬與優(yōu)化

本部分使用 ANSYS軟件對(duì) 2000A新型換熱鋁電解槽進(jìn)行了溫度場(chǎng)的模擬計(jì)算,建立了換熱型鋁電解槽的溫度場(chǎng)計(jì)算模型,重點(diǎn)研究了這種鋁電解槽的換熱模式,為設(shè)計(jì)大型換熱式鋁電解槽提供了基礎(chǔ).

圖 4為 2000A試驗(yàn)電解槽溫度分布云圖,從圖中可以看出電解槽的高溫區(qū)在陽極底部,可以保證鋁電解的正常進(jìn)行.

圖 4 電解期間換熱電解槽溫度分布云圖

圖 5是電解槽槽體熱的流量分布圖,從圖中的熱流量分布來看,電解槽的熱流量很大一部分仍是從換熱器和上部散去,此外電解槽陰極鋼棒也帶走了大量的熱量.

表 1是電解時(shí)溫度場(chǎng)模擬和測(cè)試結(jié)果的對(duì)比情況.從對(duì)比分析來看,除了槽底的溫度偏低之外,電解槽各部位的溫度基本差別不大,說明計(jì)算結(jié)果可靠.

表 1 電解期間結(jié)果參數(shù)對(duì)比表 ℃

3 換熱介質(zhì) KNO 3-NaNO 2系熔鹽的差熱分析研究

圖 5 電解期間換熱電解槽熱流量分布云圖

作為換熱熔鹽介質(zhì),研究 NaNO2-KNO3-NaNO3系熔鹽的物理化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)具有重要的意義.研究熔鹽換熱介質(zhì)的物理及化學(xué)穩(wěn)定性與溫度的關(guān)系,可以確定合理的熔鹽使用溫度區(qū)間;研究熔鹽的密度,對(duì)于研究換熱量與流量的關(guān)系具有重要的意義;研究熔鹽的電導(dǎo)率與變化規(guī)律,有助于減少電能損失;研究熔鹽的結(jié)構(gòu),可以為更深入地認(rèn)識(shí)熔鹽的物理化學(xué)性質(zhì)變化提供理論基礎(chǔ).

采用 SDT 2960差熱 -熱重聯(lián)用分析儀對(duì)KNO3、NaNO2及 NaNO3系的二元及三元混合熔鹽進(jìn)行了熱重和差熱分析,所得到的各種物質(zhì)的熱重曲線和差熱分析的典型曲線分別如圖 6所示.

圖 6 70%的 KNO 3-30%N aNO 2的 DTA-TG曲線

差熱分析結(jié)果表明,在 150～650℃之間,該系熔鹽的熱重值比較穩(wěn)定,也沒有明顯的吸熱和放熱過程,表明該體系熔鹽的物理化學(xué)穩(wěn)定性較好,高溫穩(wěn)定區(qū)域比較大,說明此體系的確有很好的應(yīng)用前景.

4 2000A新型換熱式鋁電解槽的換熱試驗(yàn)

2008年 1月開始,在東北大學(xué) 2000A新型換熱式鋁電解槽上進(jìn)行了電解試驗(yàn),試驗(yàn)電解槽結(jié)構(gòu)如圖 3.圖 7是裝置與試驗(yàn)過程的照片.

圖 7 2000A新型換熱式鋁電解槽電解試驗(yàn)照片

試驗(yàn)系統(tǒng)研究了試驗(yàn)電解槽加熱功率、換熱介質(zhì)流量、換熱介質(zhì)進(jìn)出口溫度及溫度差、換熱版面溫度、換熱效率及單位面積的換熱功率等因素之間的關(guān)系,得到了熔鹽換熱系統(tǒng)工藝參數(shù)與電解槽設(shè)計(jì)參數(shù)及工藝參數(shù)之間的關(guān)系.為設(shè)計(jì)大型換熱鋁電解槽打下基礎(chǔ).

5 結(jié) 論

經(jīng)過幾年的研究,我們認(rèn)為采用熔鹽換熱介質(zhì)在鋁電解槽外面進(jìn)行換熱,來實(shí)現(xiàn)鋁電解余熱回收利用的想法是可行的.我們的工作為這種技術(shù)的實(shí)施奠定了基礎(chǔ),有利于在工業(yè)電解槽進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn),取得更好的成果.本文的結(jié)論有如下幾點(diǎn):

（1）可以采用 NaNO2-KNO3-NaNO3系熔鹽體系作為換熱介質(zhì),對(duì)鋁電解槽側(cè)部散熱進(jìn)行回收,得到的高溫熔鹽可以在氧化鋁生產(chǎn)中的管道化溶出工序作為加熱介質(zhì)使用,實(shí)現(xiàn)了余熱回收利用.

（2）設(shè)計(jì)了可以在工業(yè)上使用的換熱器結(jié)構(gòu),并將換熱器與電解槽結(jié)構(gòu)有機(jī)地結(jié)合起來,在保證鋁電解平穩(wěn)運(yùn)行的同時(shí),最大幅度地回收熱量.

（3）系統(tǒng)地研究了 NaNO2-KNO3-NaNO3系熔鹽體的物理化學(xué)性質(zhì),優(yōu)化了換熱介質(zhì)成分,為給體系換熱介質(zhì)在鋁電解槽上應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ).

（4）設(shè)計(jì)研制了2000 A新型換熱電解槽,并進(jìn)行了換熱電解試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明該電解槽可以平穩(wěn)的運(yùn)行,并可成功回收側(cè)部散熱量的80%,在回收熱量的同時(shí),還可以通過換熱系統(tǒng)的運(yùn)行,來人為控制電解槽的側(cè)部結(jié)殼厚度,實(shí)現(xiàn)鋁電解槽爐幫的可控制.

A

1671-6620（2010）S1-0008-03