一種基于溫差發電的鋁電解槽側壁余熱發電系統技術方案

技術編號：40095036 閱讀：13 留言：0更新日期：2024-01-23 16:48

本發明專利技術公開一種基于溫差發電的鋁電解槽側壁余熱發電系統，屬于鋁電解槽余熱回收技術領域。包括穩熱器、石墨板、水冷板、半導體溫差發電模塊、緊固裝置、水冷系統和電力管理系統。穩熱器懸掛在鋁電解槽側壁散熱翅片上；石墨板緊貼在穩熱器冷面；水冷板置于石墨板上層，水冷板內部設置有4條水冷通道，在水冷板底部設置溫差發電模塊固定槽，溫差發電模塊固定槽采用2×14結構設置；半導體溫差發電模塊固定在水冷板底部凹槽內；緊固裝置置于溫差發電系統與鋁電解槽側壁之間，用于固定整個余熱發電裝置；水冷系統通過波紋管與水冷板相連；電力管理系統通過云母線與發電裝置相連。本發明專利技術能夠實現對鋁電解槽余熱的高效回收，便于推廣和應用。

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【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及余熱回收利用領域，尤其涉及一種基于溫差發電的鋁電解槽側壁余熱發電系統。

技術介紹

1、電解鋁生產過程是一個高耗能的過程。現有的電解鋁生產工藝，其噸鋁的交流電耗在13000kwh～14000kwh。而理論上平均每噸鋁需要消耗的電能約為6320kwh,所消耗的電能量大約只有48％參與熱電化學反應，其余的52％電耗，則直接以熱能形式散失到環境中，造成能源浪費，并且降低了電能利用率。

2、溫差發電技術是一種以塞貝克效應為原理的固態能量轉換方式，能夠直接將熱能轉化為電能。根據該技術所開發的熱電裝置具有無運動部件、體積小、重量輕、移動方便和可靠性高等特點，是綠色環保的發電技術。

3、鋁電解企業對電解槽能量的回收利用逐漸增多，如何對鋁電解槽的電解余熱加以利用，實現節能減排的目標已經成為電解鋁行業的迫切所需。

4、電解槽側壁熱源溫度高，回收價值巨大。以400ka鋁電解槽為例，電解槽在焙燒啟動后，槽內電解質經歷由常溫到950℃高溫狀態，經由內襯傳遞到電解槽側壁，溫度仍然達到260℃～400℃，高溫還會使得電解槽產生變形。

5、國內外有許多研究人員對鋁電解槽側部余熱的利用進行了研究，有人通過數值模擬的方法對鋁電解槽側部散熱的規律進行了研究，但是沒有專利技術一種能真正回收利用側部余熱的換熱元件，沒有從換熱機理上來探討鋁電解槽的側部余熱。

6、現有研究未能很好利用電解槽余熱，因此針對鋁電解槽的余熱回收方案以及鋁電解槽自身結構特征的設計是本申請要解決的技術問題。

<p>技術實現思路

1、本專利技術目的是針對上述存在的問題和不足，提供一種基于溫差發電的鋁電解槽側壁余熱發電系統，結構簡單，設計合理，能夠實現對鋁電解槽余熱的高效回收。并且本專利技術所設計熱電裝置不受電解槽周圍高溫環境影響，可長時間穩定運行，具有較高實用性，更便于推廣和應用。

2、為了實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案：一種基于溫差發電的鋁電解槽側壁余熱發電系統，包括穩熱器，穩熱器懸掛在鋁電解槽側壁散熱翅片上，石墨板緊貼在穩熱器冷面，水冷板置于石墨板上層，半導體溫差發電模塊固定在水冷板底部凹槽內，緊固裝置設置在溫差發電系統與鋁電解槽側壁框架之間，水冷系統通過波紋管與水冷板相連，電力管理系統通過云母線與發電裝置相連。

3、進一步的，所述穩熱器由4片相連銅板組成，中間兩片銅板的中心線設置有沉頭孔，用于與水冷板固定為整體。

4、進一步的，所述石墨板中心軸線上設置有與沉頭孔相對應的圓孔，便于螺栓順利穿過。

5、進一步的，所述半導體溫差發電模塊長寬為40mm×40mm，高度為2.5mm～5mm，采用耐高溫銀膏焊接材料，其熔化溫度為330℃，導線為鐵氟龍耐高溫導線，極限溫度為200℃。

6、進一步的，所述水冷板頂面設置有進水口和出水口，內部設置有4條水冷通道，在水冷板底部設置有熱電模塊固定槽，熱電模塊固定槽采用2×14錯位式結構設置。其中心軸上交替排布設置有通孔和固定孔，通孔用于將半導體溫差發電模塊的導線引入水冷板冷端，通過水冷降低導線所承受的溫度，固定孔由螺栓將水冷板與穩熱器緊密連接。

7、進一步的，所述水冷板外側安裝有磁場防護罩，防止鋁電解槽強磁場對半導體溫差發電模塊發電性能產生影響。

8、進一步的，所述緊固裝置框架上剛性連接一對便攜式千斤頂，整個緊固裝置頂在水冷板與鋁電解槽側壁框架之間，牢牢固定整個發電裝置。

9、進一步的，所述水冷系統包括水泵、儲水箱、管道、閥門，它與水冷板連接構成循環的閉合回路。水流量設為4m3/h～8m3/h,水溫為20℃～40℃。

10、進一步的，所述的電力管理系統包括充放電控制器、蓄電池、逆變器。充放電控制器輸入端直接與溫差發電裝置輸出端連接，充電輸出端與蓄電池連接能夠直接給蓄電池充電，放電輸出端可以將溫差發電裝置輸出的電能或蓄電池中儲存的電能，穩定地輸出為直流電，直接帶動直流負載，當需要帶動交流負載時，在放電輸出端接一個逆變器，將直流電逆變為交流電，再帶動交流負載。

11、本專利技術的一種基于溫差發電的鋁電解槽側壁余熱發電系統，其有益效果在于：

12、本專利技術與傳統發電設備相比，該發電裝置結構簡單，不需要傳統的熱力發電所需要的復雜的設備。如鍋爐、汽輪發電機及一些復雜的運行控制設備等。與傳統的發電方式相比熱電發電沒有旋轉機械因而無噪聲、無震動、無磨損、運行壽命長、維修少、可靠性高；發電的潛力巨大而且不產生污染，對環境無破壞作用；發電器的運行維修和控制都很方便，因為某一熱電模件損壞只要將其迅速更換即可，對整個系統影響很小。

13、本專利技術的冷卻方式為水冷，相對于氣冷冷卻方式，冷卻效率大大提高，能使半導體溫差發電塊冷熱面產生將近250℃的溫差，大大提高了溫差發電效率，預計1套該發電裝置的總輸出功率可達200w。

14、本專利技術裝置所使用的半導體溫差發電模塊采用封閉式結構，模塊四周邊緣用耐高溫密封膠進行密封，避免模塊與空氣接觸，影響發電性能；同時水冷板的通孔也采用耐高溫密封膠進行填充，防止半導體溫差發電塊導線移動。

15、本專利技術裝置與鋁電解槽側壁進行直接接觸式安裝，與非接觸式相比傳熱性能大大提高；緊固裝置使得整個發電裝置與鋁電解槽緊密結合，減小發電裝置各部分之間的縫隙，減小熱阻，增強傳熱；并且穩熱器與半導體溫差發電塊之間設置有石墨板，使得半導體溫差發電塊熱端均勻受熱。

16、電解槽側面溫度溫度分布不均勻，不同槽體側壁溫度分布規律一致，均為邊緣溫度高，中心溫度低；采用穩熱器將高溫處熱量補充到低溫處，增加溫度均勻性；穩熱器采用多種導熱材料，中心材料融化溫度為1600℃，具有較高熱穩定性。

17、水冷系統所用到的通水管均采用不銹鋼波紋管，波紋管柔軟便于安裝，并且耐高溫；通過設置水泵的功率及調節閥門大小，可以控制流入水冷板冷卻水的流量，用于調控以得出最為匹配的流量；并且發電裝置安裝后會使電解槽表面溫度下降20℃～40℃，增強鋁電解槽的冷卻效率。

18、充放電控制器以pvm電技術為核心，具備蓄電池過充、過放保護、負載短路保護、穩壓整流和監控等功能，能夠大大提高蓄電池的使用壽命。另外，當充放電控制器的輸入功率大于輸出功率時(即負載功率小于溫差發電裝置的輸出功率)，充放電控制就對蓄電池自動充電；反之，用蓄電池中儲存的電能彌補溫差發電裝置輸出功率的不足；這樣，在用電低谷期，電能管理系統能將電能儲存，保證在用電髙峰期的正常供電。

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【技術保護點】

1.一種基于溫差發電的鋁電解槽側壁余熱發電系統，其特征在于，該鋁電解槽側壁余熱發電系統包括穩熱器，穩熱器懸掛在鋁電解槽側壁散熱翅片上，石墨板緊貼在穩熱器冷面，水冷板置于石墨板上層，半導體溫差發電模塊固定在水冷板底部凹槽內，緊固裝設置在溫差發電系統與鋁電解槽側壁框架之間，水冷系統通過波紋管與水冷板相連，電力管理系統通過云母線與發電裝置相連。

2.根據權利要求1所述的一種基于溫差發電的鋁電解槽側壁余熱發電系統，其特征在于，所述穩熱器熱面設置有沉頭孔，用于與水冷板固定為整體。

3.根據權利要求1所述的一種基于溫差發電的鋁電解槽側壁余熱發電系統，其特征在于，所述石墨板中心軸線上設置有與沉頭孔相對應的圓孔，便于螺栓順利穿過。

4.根據權利要求1所述的一種基于溫差發電的鋁電解槽側壁余熱發電系統，其特征在于，所述半導體溫差發電模塊長寬為40mm×40mm，高度為2.5mm～5mm，采用耐高溫焊接材料，導線為耐高溫導線。

5.根據權利要求1所述的一種基于溫差發電的鋁電解槽側壁余熱發電系統，其特征在于，所述耐高溫焊接材料，該材料為銀膏，熔化溫度為330℃。

6.根據權利要求1所述的一種基于溫差發電的鋁電解槽側壁余熱發電系統，其特征在于，所述水冷板內部設置有4條水冷通道，在水冷板底部設置有熱電模塊固定槽，熱電模塊固定槽采用2×14結構設置。

7.根據權利要求1所述的一種基于溫差發電的鋁電解槽側壁余熱發電系統，其特征在于，所述水冷板外側安裝有磁場防護罩。

8.根據權利要求1所述的一種基于溫差發電的鋁電解槽側壁余熱發電系統，其特征在于，所述緊固裝置上剛性連接一對便攜式千斤頂，用于牢牢固定整個發電裝置。

9.根據權利要求1所述的一種基于溫差發電的鋁電解槽側壁余熱發電系統，其特征在于，所述水冷系統包括水泵、儲水箱、管道和閥門，它與水冷板連接構成循環的閉合回路，水流量設為4m3/h～8m3/h,水溫為20℃～40℃。

10.根據權利要求1所述的一種基于溫差發電的鋁電解槽側壁余熱發電系統，其特征在于，所述的電力管理系統包括充放電控制器、蓄電池、逆變器，充放電控制器輸入端直接與溫差發電裝置輸出端連接，充電輸出端與蓄電池連接能夠直接給蓄電池充電，放電輸出端可以將溫差發電裝置輸出的電能或蓄電池中儲存的電能，穩定地輸出為直流電，直接帶動直流負載，當需要帶動交流負載時，在放電輸出端接一個逆變器，將直流電逆變為交流電，再帶動交流負載。

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【技術特征摘要】

2.根據權利要求1所述的一種基于溫差發電的鋁電解槽側壁余熱發電系統，其特征在于，所述穩熱器熱面設置有沉頭孔，用于與水冷板固定為整體。

5.根據權利要求1所述的一種基于溫差發電的鋁電解槽側壁余熱發電系統，其特征在于，所述耐高溫焊接材料，該材料為銀膏，熔化溫度為330℃。

6.根據權利要求1所述的一種基于溫差發電的鋁電解槽側壁...

【專利技術屬性】
技術研發人員：孟祥寧，王文佳，苗壯，孫研明，
申請(專利權)人：東北大學，
類型：發明
國別省市：

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