铝电解设备、铝电解系统及铝电解槽烟气余热回收方法

摘要

本发明涉及铝电解技术领域，尤其涉及一种铝电解设备、铝电解系统及铝电解槽烟气余热回收方法。铝电解设备中的烟气收集装置包括烟气收集罩，烟气收集罩设置在铝电解槽中的火口的上方，烟气收集罩的进气口朝向下方敞开且与火口对准。由此，利用烟气收集罩直接在火口处收集高温烟气，避免高温烟气在铝电解槽外罩内部与冷空气融合降温，能够收集到具有高品质余热的烟气。铝电解系统包括上述铝电解设备及烟气余热回收装置，铝电解槽烟气余热回收方法利用铝电解系统中的烟气余热回收装置将收集到的高温烟气与水换热形成过热蒸汽用于发电并供给铝电解设备。本发明铝电解系统和余热回收方法能够收集到具有高品质余热的烟气并进行余热再利用。

说明书

技术领域

本发明涉及铝电解节能技术领域，尤其涉及一种铝电解设备、铝电解系统及铝电解槽烟气余热回收方法。

背景技术

目前，铝电解都是采用冰晶石-氧化铝熔融电解法，铝电解设备包括铝电解槽、铝电解槽外罩和烟气收集装置。在该电解过程中，铝电解槽导入强大直流电，氧化铝、氟化盐在950℃～970℃的高温条件下熔融成为电解质，并在铝电解槽内经过复杂的化学反应，氧化铝分解，在铝电解槽的槽底析出液态金属铝，在阳极，氧化铝与碳发生反应，释放气体，主要成分为CO₂和CO，也包含少量的HF和SO₂，阳极释放的气体还会携带部分氧化铝粉末和固态氟化物颗粒。由于电解质表面温度在950℃左右，且在火口处部分CO会发生燃烧，所以在火口处会排出温度950℃左右或不低于950℃的高温烟气。

现有的烟气收集装置包括集气管，集气管插入铝电解槽外罩内，铝电解槽外罩内形成微负压，会有大量的冷空气进入铝电解槽外罩内部，降低从火口进入铝电解槽外罩内部的高温烟气的温度，最终经集气管收集的烟气的温度在120-130℃，高品质的余热资源变成了低品位的余热资源，回收难度大，且回收品质低。据统计，在铝电解槽的余热损失中，铝电解槽外罩处热损失约为8％，烟气排放热损失约为35％。由于低温余热回收成本较高，现有的绝大部分铝电解设备均未对铝电解槽内的烟气进行高品质的余热回收，造成了严重的能源浪费。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的一个目的在于提供一种能够收集到具有高品质余热的烟气的铝电解设备。

本发明的另一个目的在于提供一种能够收集到具有高品质余热的烟气、并进行余热再利用的铝电解系统。

本发明的再一个目的在于提供一种采用上述铝电解系统的铝电解槽烟气余热回收方法，该烟气余热回收方法能够收集到具有高品质余热的烟气、并进行余热再利用。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明一方面提供一种铝电解设备，包括铝电解槽、铝电解槽外罩和烟气收集装置，烟气收集装置包括：烟气收集罩，烟气收集罩设置在铝电解槽中的火口的上方，烟气收集罩包括进气口和出气口，进气口朝向下方敞开并且与火口对准；导出管道，导出管道的入口与烟气收集罩的出气口连接，导出管道的出口与铝电解槽外罩的外部连通；引风机，引风机与导出管道连接，用于形成从烟气收集罩的进气口朝向导出管道的出口运动的气流。

根据本发明，烟气收集罩的进气口的下边缘与火口的垂直距离位于10-200mm的范围内。

根据本发明，进气口在下边缘处的外直径与火口的内直径的比值位于1-3的范围内。

根据本发明，在烟气收集罩和导出管道的外壁上均包裹有保温层。

根据本发明，烟气收集罩的进气口沿朝向下的方向渐扩。

根据本发明，烟气收集罩套设在朝向火口延伸的下料管上。

根据本发明，铝电解槽中具有多个火口，烟气收集装置包括多个烟气收集罩，多个烟气收集罩与多个火口一一对应设置，导出管道具有多个入口，多个入口与多个烟气收集罩的出气口一一对应的连接。

根据本发明，导出管道包括多个支管和一个总管，多个支管的入口与多个烟气收集罩的出气口一一对应连通，多个支管的出口与总管连通；多个烟气收集罩中，烟气收集罩距离总管越远，其进气口的下边缘与相对应的火口之间的垂直距离越大。

本发明的另一方面提供一种铝电解系统，包括上述任一项铝电解设备以及烟气余热回收装置；烟气余热回收装置包括：换热设备，换热设备中具有烟气通道和水流通道，烟气通道的入口与导出管道的出口连接，水流通道至少部分地位于烟气通道中；汽轮发电机，汽轮发电机的蒸汽接收端与水流通道的出口连接，汽轮发电机的供电端与铝电解设备的供电装置连接。

根据本发明，烟气余热回收装置还包括设置在导出管道上的CO浓度检测仪和点火装置，当CO浓度检测仪检测出的CO浓度大于12.5％时，点火装置点火，以点燃导出管道中的CO。

根据本发明，铝电解系统还包括除尘净化系统，除尘净化系统包括吸附床和布袋除尘器，吸附床的一个入口与烟气通道的出口连通，另一个入口供氧化铝加入其中，吸附床的固体出口与为铝电解槽供料的料仓连接，吸附床的气体出口与布袋除尘器的入口连通，布袋除尘器的固体出口与为铝电解槽供料的料仓连通，吸附床和布袋除尘器过滤出烟气中的氧化铝和氟化物并将其从二者的固体出口送入料仓。

根据本发明，烟气余热回收装置还包括连接在导出管道的出口和烟气通道的入口之间的重力除尘室。

根据本发明，汽轮发电机具有乏汽出口，烟气余热回收装置还包括与乏汽出口连接的冷凝器、以及与冷凝器和水流通道连接的除氧器。

本发明再一方面提供一种采用上述任一项铝电解系统的铝电解槽烟气余热回收方法，包括如下步骤：S1、利用烟气收集罩收集火口处的高温烟气；S2、利用导出管道将烟气收集罩中的高温烟气送入换热设备的烟气通道中；S3、利用换热设备将高温烟气与水进行热交换，形成过热蒸汽；S4、利用步骤S3所产生的过热蒸汽推动汽轮发电机发电，并将电力供给铝电解设备的供电装置。

根据本发明，在步骤S2中，在导出管道中的高温烟气的CO浓度大于12.5％时，点火装置点火，以点燃导出管道中的CO。

根据本发明，还包括如下步骤：S5、步骤S3中热交换形成的低温烟气依次经过吸附床和布袋除尘器，过滤出低温烟气中的氧化铝和氟化物并送入料仓；S6、汽轮发电机形成的乏汽经冷凝器和除氧器后形成液态水送入水流通道；在步骤S2中，导出管道将高温烟气先送入重力除尘室重力除尘，经重力除尘后的高温烟气进入烟气通道。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明的铝电解设备，利用烟气收集罩直接在火口处收集高温烟气，避免高温烟气在铝电解槽外罩内部与冷空气融合降温，能够收集到具有高品质余热的烟气。

本发明的铝电解系统，可将收集到的高温烟气与水换热，形成过热蒸汽，并将过热蒸汽引入汽轮发电机用于发电，然后将电能输送给铝电解设备。由此，本发明的铝电解系统能够收集到具有高品质余热的烟气、并进行余热再利用，为铝电解槽供电。

本发明的铝电解槽烟气余热回收方法，利用上述铝电解系统，可收集到高温烟气，然后将收集到的高温烟气与水换热，形成过热蒸汽，并将过热蒸汽引入汽轮发电机用于发电，之后将电能输送给铝电解设备。由此，本发明的铝电解槽烟气余热回收方法能够收集到具有高品质余热的烟气、并进行余热再利用，为铝电解槽供电。

附图说明

图1为实施例一提供的铝电解设备的内部结构示意图；

图2为实施例一提供的铝电解设备中烟气收集装置的俯视示意图；

图3为实施例二提供的铝电解系统的结构示意图。

【附图标记】

1：烟气收集罩；2：进气口；3：出气口；4：火口；5：导出管道；6：保温层；7：下料管；8：支管；9：总管；10：换热设备；11：烟气通道；12：水流通道；13：汽轮发电机；14：CO浓度检测仪；15：点火装置；16：布袋除尘器；17：重力除尘室；18：冷凝器；19：除氧器；20：铝电解槽外罩；21：烟气上升段；22：纵向烟气汇集管；23：横向烟气汇集管；24：汽轮机组件；25：发电机组件；26：电网；27：余热锅炉；28：汽包；29：预热段；30：蒸发段；31：过热段；32：预热段通道；33：蒸发段通道；34：过热段通道；35：循环水泵；36：末端引风机；37：烟囱；38：料仓；39：吸附床；H：烟气收集罩的进气口的下边缘与火口的垂直距离；D1：火口的内直径；D2：进气口在下边缘处的外直径。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。其中，本文所涉及的“上”、“下”等方位术语，以图1和图3中示出的定向为参考。

实施例一

参照图1和图2，在本实施例中提供一种铝电解设备，该铝电解设备包括铝电解槽、铝电解槽外罩20和烟气收集装置。铝电解槽用于盛放电解用的阳极、电解质等，铝电解槽外罩20罩在铝电解槽上。烟气收集装置包括烟气收集罩1、导出管道5和引风机(图中未示出)。

具体地，烟气收集罩1设置在铝电解槽中的火口4的上方，烟气收集罩1包括进气口2和出气口3，进气口2朝向下方敞开并且与火口4对准。导出管道5的入口与烟气收集罩1的出气口3连接，导出管道5的出口与铝电解槽外罩20的外部连通。引风机与导出管道5连接，用于形成从烟气收集罩1的进气口2朝向导出管道5的出口运动的气流(图1中示出了气流的流动方向)。由此，利用烟气收集罩1直接在火口4处收集高温烟气，避免高温烟气在铝电解槽外罩20内部与冷空气融合降温，能够收集到具有高品质余热的烟气。该铝电解设备应用时，在火口4处，经打壳加料后，产生950℃左右的高温烟气，高温烟气直接进入烟气收集罩1中。

为了防止高温烟气散入到铝电解槽外罩20的外部导致外界环境的污染，需要依靠引风机形成气流来保持铝电解槽外罩20内的微负压状态，由此，在本实施例中，将烟气收集罩1的出气口3与火口4处上下间隔一定的距离。

进一步，烟气收集罩1的进气口2的下边缘与火口4的垂直距离如果过小，则无法保证铝电解槽外罩20内的微负压状态；烟气收集罩1的进气口2的下边缘与火口4的垂直距离H如果过大，铝电解槽外罩20内的大量冷空气进入烟气收集罩1与高温烟气混合，大大降低高温烟气的温度，降低余热收集效果。由此，烟气收集罩1的进气口2的下边缘与火口4的垂直距离位于10-200mm的范围内，能够在保证铝电解槽外罩20内呈微负压状态的同时，控制冷空气的吸入量，保证进入导出管道5中的高温烟气的温度在600℃以上。

进一步，进气口2在下边缘处的外直径D2与火口4的内直径D1的比值位于1-3的范围内，以尽量让高温烟气全部进入烟气收集罩1内。

在本实施例中，导出管道5固定在铝电解槽外罩20上，烟气收集罩1与导出管道5固定连接，进而烟气收集罩1经过导出管道5悬挂在铝电解槽外罩20内部。具体地，在本实施例中，导出管道5通过连接件连接在铝电解槽外罩20中的料仓38上，即导出管道5吊挂在料仓38上。当然，本发明不局限于此，烟气收集罩1可通过任意方式固定在铝电解槽外罩20中，例如直接固定在铝电解槽外罩20的内壁上，或固定在铝电解槽外罩20内部的支架上等。

更加具体地，在本实施例中，烟气收集罩1套设在朝向火口延伸的下料管7上，下料管7与料仓38连接，用于向铝电解槽中送入原料。并且，烟气收集罩1与下料管7同轴设置，为保证密封，将下料管7与烟气收集罩1焊接在一起，或者在二者的连接处设置密封结构(例如密封圈、密封胶等)。优选地，烟气收集罩1包括进气口2和与进气口2的顶端连接的烟气上升段21，烟气上升段21呈圆柱形，烟气上升段21的顶端构成开口，形成出气口3。进气口2呈圆台形，沿朝向下的方向渐扩。当然，本发明不局限于此，在其他实施例中，烟气收集罩1整体可以呈沿朝向下的方向渐扩的形状。如此设计，有助于聚拢和收集高温烟气。

而导出管道5的出口可以是设置在铝电解槽外罩20的外壁上，也可以是由铝电解槽外罩20的外壁伸出直接连接后续设备。并且导出管道5可以是由多段子管道连接而成的分体结构，也可以是一体的管道。导出管道5的结构不限，只要是能够将烟气收集罩1中的高温烟气导出铝电解槽外罩20并在其外部供给给后续设备即可，后续设备可以为实施例二中限定的换热设备，也可以是各种烟气处理设备，当然，如果高温烟气达标，导出管道5也可直接将高温烟气排入大气。

进一步，在本实施例中，烟气收集罩1和导出管道5均由高温耐热钢制成。在烟气收集罩1和导出管道5的外壁上均包裹有保温层6，以减少高温烟气在输送过程中的热损失。优选地，保温层6为高性能保温纤维毡。

结合图1和图2，在本实施例中，铝电解槽中具有多个火口4，多个火口4呈矩阵形排列。烟气收集装置包括多个烟气收集罩1，多个烟气收集罩1也呈矩阵形排列，与多个火口4一一对应设置。在本实施例中，如图2所示，以沿铝电解槽的纵向方向排列的烟气收集罩1为纵向列，以沿铝电解槽的横向排列的烟气收集罩1为横向列。

在本实施例中，导出管道5包括多个支管8、多个纵向烟气汇集管22、一个横向烟气汇集管23和一个总管9。支管8的入口形成导出管道5的入口，多个支管8的入口与多个烟气收集罩1的出气口3一一对应地连通，支管8沿远离出气口3的方向向上倾斜设置，以有利于高温烟气的导出。多个支管8中，对应于一个纵向列中的烟气收集罩1的支管8与该纵向烟气汇集管22连接，纵向烟气汇集管22用于汇集一个纵向列中的烟气收集罩1排出的高温烟气。而所有纵向烟气汇集管22与一个横向烟气汇集管23连接，横向烟气汇集管23用于汇集所有纵向烟气汇集管22中的高温烟气，横向烟气汇集管23与总管9连接，高温烟气的流动方向由图2中的箭头示出。可理解，在本实施例中，多个支管8的出口与总管9经过多个纵向烟气汇集管22和一个横向烟气汇集管23连通。当然，本发明不局限于此，在其他实施例中，根据火口4的数量和布置方式，导出管道5的布置也可改变，只要能够将所有火口4的高温烟气收集汇总到一起即可。此外，在本实施例中，每个纵向烟气汇集管22均挂在料仓38上。

进一步，在具有多个烟气收集罩1的情况下，由于不同位置的烟气收集罩1距离总管9的位置不一样，导致每个烟气收集罩1处的烟气压力不一致，所以通过改变烟气收集罩1的进气口2的下边缘与火口4的垂直距离H来调节烟气收集罩1处烟气的压力，多个烟气收集罩1中，烟气收集罩1距离总管9越远，其进气口2的下边缘与相对应的火口4之间的垂直距离越大，以减少吸入冷空气的阻力；烟气收集罩1距离总管9越近，其进气口2的下边缘与相对应的火口4之间的垂直距离越小，以增加吸入冷空气的阻力。

实施例二

参照图3，本实施例提供一种铝电解系统，该铝电解系统包括上述实施例一中的铝电解设备以及烟气余热回收装置。其中，烟气余热回收装置包括换热设备10和汽轮发电机13。换热设备10中具有烟气通道11和水流通道12，烟气通道11的入口与导出管道5的出口连接，以接收导出管道5排出的高温烟气。水流通道12至少部分地位于烟气通道11中，以使其中的水与烟气通道11中的高温烟气换热，形成过热蒸汽。汽轮发电机13的蒸汽接收端与水流通道12的出口连接，以接收过热蒸汽。过热蒸汽进入汽轮发电机13中的汽轮机24，推动汽轮机24转动，带动汽轮发电机13中的发电机25发电，产生电能。汽轮发电机13的供电端与铝电解设备的供电装置连接，将产生的电能供应给铝电解设备。例如，铝电解设备的供电装置为厂区内的电网26。当然，供电装置不局限于电网26，根据工况连接到为铝电解设备供电的任何装置均可。由此，本实施例的铝电解系统能够收集到具有高品质余热的烟气、并进行余热再利用，为铝电解槽供电。

具体地，在本实施例中，换热设备10包括余热锅炉27和汽包28，烟气通道11设置在余热锅炉27中，并从上往下依次为预热段29、蒸发段30和过热段31。水流通道12包括预热段通道32、蒸发段通道33和过热段通道34，预热段通道32的入口用于接纳锅炉给水系统送来的冷却水，预热段通道32的出口与汽包28的底部连通，冷却水进入预热段通道32中后，将从蒸发段29过来的低温烟气进一步冷却到90℃，被预热的水进入汽包28；蒸发段通道33的入口与汽包28的底部连接，并且在蒸发段通道33上设有循环水泵35，汽包28内的饱和水在循环水泵35的作用下进入蒸发段通道33并与位于蒸发段29的高温烟气进行热交换，形成汽水混合物，蒸发段通道33的出口与汽包28的中部连接，汽水混合物进入到汽包28中；过热段通道34的入口与汽包28的顶端连接，汽包28顶部的饱和蒸汽进入过热段通道34，在过热段31与高温烟气进行热交换，形成过热蒸汽。换热装置如此设置，有利于烟气和蒸汽的压力控制，也有利于提高余热回收效率。

进一步，在本实施例中，烟气余热回收装置还包括设置在导出管道5上的CO浓度检测仪14和点火装置15，CO浓度检测仪14用于检测导出管道中的高温烟气中CO浓度，当该CO浓度大于12.5％时，点火装置15点火，点燃导出管道中的高温烟气中的CO，使得导出管道中的CO燃尽，进而使得高温烟气中的化学能转化为热能，提高烟气温度，回收利用的余热增加。

具体地，CO浓度检测仪14可与点火装置15通讯连接，在CO浓度检测仪14检测到CO浓度大于12.5％时，向点火装置15发出启动信号，点火装置15在接收到启动信号时点火。当然，也可设置独立的控制器，控制器与CO浓度检测仪14和点火装置15通讯连接，CO浓度检测仪14将检测到的实时CO浓度发送给控制器，控制器在CO浓度大于12.5％时发出启动信号，点火装置15在接收到启动信号时点火。

进一步，在本实施例中，铝电解系统还包括除尘净化系统，除尘净化系统包括吸附床39和布袋除尘器16，吸附床39的一个入口与烟气通道11的出口连通，另一个入口供氧化铝加入其中，吸附床39中的氧化铝能够吸附烟气通道出口排出的低温烟气中的氟化物，由于低温烟气温度为90℃左右，氧化铝极易吸附氟化物。吸附床39的固体出口与为铝电解槽供料的料仓38连接，吸附氟化物的氧化铝送入回到为铝电解槽供料的料仓38中，作为铝电解的原料。吸附床39的气体出口与布袋除尘器16的入口连通，将脱除氟化物的低温烟气送入到布袋除尘器16中，布袋除尘器16过滤出低温烟气中的氧化铝，并且布袋除尘器16的固体出口与为铝电解槽供料的料仓38连接，以从固体出口将氧化铝送入料仓38，作为电解原料。经布袋除尘器16净化后的低温烟气经末端引风机36进入到烟囱37后排入大气。

进一步，在本实施例中，烟气余热回收装置还包括连接在导出管道5的出口和烟气通道11的入口之间的重力除尘室17。高温烟气在进行换热之前先进入重力除尘室17，将大颗粒粉尘去除。CO浓度检测仪14和点火装置15设置在导出管道5的与重力除尘室17连接的端部上。

进一步，在本实施例中，汽轮发电机13中的汽轮机25具有乏汽出口，烟气余热回收装置还包括与乏汽出口连接的冷凝器18、以及与冷凝器18和水流通道12的预热段通道32连接的除氧器19。从汽轮机25出来的乏汽经过冷凝器18，再经过除氧器19进入锅炉给水系统，由于汽包28要进行定期排污，需要进行适当的补水。

在该铝电解系统中，流体的流动方向由图3中的箭头示出。

实施例三

本实施例提供一种一种采用实施例二的铝电解系统的铝电解槽烟气余热回收方法。具体地，结合图1至图3，该方法包括如下步骤：

S1、利用烟气收集罩1收集火口4处的高温烟气；

S2、利用导出管道5将烟气收集罩1中的高温烟气送入换热设备10的烟气通道11中；

S3、利用换热设备11将高温烟气与水进行热交换，形成过热蒸汽；

S4、利用步骤S3所产生的过热蒸汽推动汽轮发电机13发电，并将电力供给铝电解设备的供电装置。

由此，可收集到高温烟气，然后将收集到的高温烟气与水换热，形成过热蒸汽，并将过热蒸汽引入汽轮发电机用于发电，之后将电能输送给铝电解设备。由此，本发明的铝电解槽烟气余热回收方法能够收集到具有高品质余热的烟气、并进行余热再利用，为铝电解槽供电。

具体地，在步骤S1中，火口4处的高温烟气从烟气收集罩1的进气口2进入烟气收集罩1，在烟气收集罩1中上升，从其出气口3进入导出管道5，此时的高温烟气的温度在600℃以上，优选在700℃左右。

具体地，在步骤S2中，高温烟气经过导出管道5(依次经过支管8、纵向烟气汇集管22、横向烟气汇集管23和总管9)导出铝电解设备，朝向重力除尘室17运动。在邻近重力除尘室17处，若导出管道5中的高温烟气中的CO浓度大于12.5％，则点火装置15点火，以点燃导出管道5中的CO，使CO燃烧放热。然后导出管道5将高温烟气先送入重力除尘室17重力除尘，大颗粒粉尘沉降，经重力除尘去除大颗粒粉尘后的高温烟气进入到余热锅炉27中的烟气通道11中。

在步骤S3中，经重力除尘后的高温烟气向上运动依次经过预热段29、蒸发段30、过热段31，与预热段通道32、蒸发段通道33、过热段通道34中的流体(冷却水、汽水混合物或蒸汽)换热，最终，高温烟气换热后，其温度约为90℃，形成相对低温的低温烟气。

在步骤S4中，冷却水经过预热段通道32、蒸发段通道33、过热段通道34变为过热蒸汽，过热蒸汽进入汽轮发电机发电，电能送入电网以进一步用于为铝电解设备供电。

还进行步骤S5，步骤S3获得的低温烟气依次经过吸附床39和布袋除尘器16，过滤出低温烟气中的氧化铝和氟化物并送入料仓进入布袋除尘器16，分离出氧化铝和氟化物返回铝电解槽作为原料，过滤后的烟气经烟囱37排入大气。其中，吸附床39中的氧化铝吸附低温烟气中的氟化物，将吸附氟化物的氧化铝送入料仓；布袋除尘器16过滤出脱除氟化物的低温烟气中的氧化铝，将氧化铝送入料仓。

还进行步骤S6，汽轮发电机形成的乏汽经过冷凝器18和除氧器19形成冷却水送入预热段通道32，循环补给冷却水。

以年产6万吨电解铝生产线为例，烟气流量约为360000m³/h，通过采用上述电解铝系统，可将从导出管道5出来的700℃的高温烟气的温度降至90℃，并将该部分余热回收产生高温高压蒸汽用来发电，可配置装机容量为2250kW的一座余热发电站，直接供给铝电解槽，那么每吨铝节电328.5kW·h，节能效果显著。同时，实现原料循环和水循环，进一步节约能源，降低生产成本。

需强调的是，虽然在制备方法中以S1-S6进行了排序，但不构成对步骤先后顺序的限定，除非后步骤必须利用先步骤的产物或者本领域技术人员公知的需要先步骤先执行的情况，否则并不局限于上述实施例所列出的顺序，并且结合上述详细描述可知，一些步骤同时进行最为有益，例如步骤S5和步骤S6。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。