[发明专利]用于在火法冶金工艺容器中使用的热交换元件

说明书

技术领域

本发明涉及在火法冶金工艺应用中使用的工艺容器，并且特别涉及一种热交换器布置，该热交换器布置可包含在这些容器的耐热衬里中，用于控制通过该容器的衬里的热流以及回收穿过该衬里的废热。

背景技术

金属及其矿石的火法冶金处理是在高温（通常超过100℃并且通常大大超过900℃）下进行的。由于高的工艺温度以及工艺材料的通常的侵蚀性，这样的火法冶金工艺容器通常加衬有相对厚的耐热材料层，该耐热材料层除了别的目的之外用于使该工艺与环境条件隔离。在这样的温度下的化学工艺意味着，仅仅为了实现并维持该工艺温度就需要消耗相当量的能量。加热该容器所消耗的能量仅用来提供工艺环境，并且最终作为废热流失至周围环境。

尽管在本申请中做出的概念和权利要求主要限于铝还原工艺方面，然而本发明同样适用于从各种火法冶金工艺中捕集废热。这些工艺在性质上可为连续性的或者成批次的；由于提供用于它们所包含的工艺的高温环境而导致废热通过容器衬里逸出是它们之间必然的共同要素。本发明涉及容器耐热衬里内工艺废热的捕集，并且不特别涉及热收集的时间范围。

使用所谓的霍尔-赫鲁特类型的典型电解槽的铝的现代化商业冶炼是极为能量密集型的工艺。这些槽的实际运行通常需要12-14兆瓦-时数量级的电力来生产一吨金属铝，其中仅有40％左右的电力用在将氧化铝还原成金属铝的工艺中。还原过程是在高温下连续运行的，并且进入槽中的其余电力转化为热并且最终从槽中废弃至环境。

铝还原工艺不仅仅依赖于连续的高温；它在化学上也是苛刻的，使还原容器承受高温化学反应-除了其他高度活性的化学物质之外包括氟化物-这对于可用于对还原容器进行加衬的大多数高温耐热材料来说是特别不利的。出于该目的，对于本领域技术人员来说众所周知的是，必须在还原容器的耐热衬里的内表面上保持并控制冻结衬里，以在冶炼操作过程中保护这些耐热衬里。Bayer在US2007/0187230中教导，可通过在还原容器的侧衬里中增设冷却通道而在构建上利于该冻结衬里的形成和控制，其中在这些通道中流通的空气选择性地去除来自衬里的热。

在还原槽的热衬里中循环的空气将自然地通过对流而被加热，并且包含在这样的空气中的热可用于各种目的，包括对氧化铝进料流进行预热以用于该工艺（如Eyvind和Holmberg在WO83/1631中所教导的），或用在发电中，如Holman在WO2006/031123和Aune等人在WO01/94667中所教导的。在本公开中，涉及最多的是用于发电的废热收集。

在出于发电的目的进行废热回收的考虑中，重要的是应当认识到，在收集及发电工艺的开展方面，整个系统的效率和安全性是极为重要。在WO01/94667中，Aune等人提议使用基于金属（诸如钠）的液相至气相相变的蒸发冷却。尽管钠提供良好的传热性能，然而它是昂贵的并且在与液态铝直接接触的情况下会发生剧烈液-气相变的风险。在液态钠与空气接触（正如在包含液态钠的管道系统在使用中损坏的情况下会发生的）的情况下，它还带来了火灾的风险。此外，WO01/94667教导，蒸发冷却装置有益地利用多个闭环热交换器，每一个闭环热交换器均存在传热流体的温度下降，由此对热回收系统的整体效率产生不利影响。

Holman在WO2006/031123中教导，空气呈现为用于电解槽的更切实的冷却介质，因为它的工作不需要维护密集型的闭环系统。然而，在WO2006/031123中，该公开主要旨在电解槽的冷却，使去除的热经过涡轮增压器布置以回收所包含的能量中的一部分。并没有在考虑工艺的热回收部分的效率方面做出尝试。

Siljan在WO2004/083489中教导，可将简单的模制技术应用于还原槽衬里部件的制造中以提供传热流体可流经的耐热板。尽管提及将空气作为合适的传热流体，然而也提及可将特殊用途的气体和液体作为适当的介质。WO2004/083489中披露的模制装置限于平面的主几何形状，例如笔直管段或蛇管，其中管的几何形状形成在烧结耐热材料的双部件夹层结构。还披露的是，这些管的横截面可形成为包含在管路系统的轴线方向上延伸的突起，用以增加热可传递经过的表面积。WO2004/083489中并没有提及使传热流体（诸如空气）流经这些通道所需的能量。尽管通道的基本几何形状和形成这些几何形状的手段对于本领域技术人员是熟知的，然而它们在可用在电解槽的衬里中的耐热板方面的应用体现了WO2004/083489的主要相关内容。