低温余热利用技术在铝行业的应用及基本模型的建立

低温余热用技术在铝业的应用及基模型的建立摘要烟气是指温度低于200℃的气业相关生产工艺的排烟温度通常介于100～200℃之间，此部分低温余热热能若可合理回收利用，将对降低铝行业工艺能耗起到积极可观的作用介了三种低温气余热利用方案与基本的数学模型后的工程设计中，应根据不同的工程情况选择合理的方案后文对余热利用系统对原工艺的积极与消极影响进行了分析与讨论。关键词：低温余热铝业工艺有机朗肯循环余热利用效率1.概述在工业生产中，使用着各种窑炉，如回转窑、加热炉、转炉、反射炉沸腾焙烧炉等。这些窑炉耗用大量的燃料，但热效率很低，一般在0%左右。以电解铝工艺为例电解铝工艺作为我院设计的主体工艺在实际生产运行中也是能源消耗的大户2008年我国电解铝行业综合交流电耗的平均水平为4335千瓦时/吨，总耗电量达1889.3亿千瓦时，占全国电力消耗总量的5%左右。对于铝行业而言，炭素工艺煅烧烟气温度达1000℃左右，通常在窑尾设置余热蒸汽锅炉和余热热媒锅炉备蒸汽用于发电以及制备高温热媒油用于炭素工艺的生产，经过该余热回收工艺过程之后，煅烧工艺排放的烟气温度可降至180℃以下，该工艺技术已广泛应用。氢氧化铝焙烧和自备电站锅炉排烟温度也均在180℃以下。上述工艺所使用的燃料通常为重油、燃气、煤等含硫成分相对较高的物质排烟烟气成分中硫份和水份含量相对较大在保证炉窑热效率的同时又不可以无限制的降低排烟温度通常排烟温度设定值高于烟气酸露点温度10℃，因此，这些工艺子项的烟气余热回收的空间十分有限。电解铝工艺排烟温度介于100～140之间，电解槽出口烟气温度最高可达200℃，为保证电解烟气净化设备的稳定运行，电解槽至烟气净化设备之间的管道均不保温以降低烟气的温度电解铝工艺烟气量大且运行相对稳定烟气露点温度也相对较低因此此部分余热热能若可合理回收利用将对降低电解铝工艺能耗起到积极可观的作用同时烟气温度的降低也将提高净化设备滤料的使用寿命。目前，已有许多高校及工厂企业着手与此方面的研究。2.低温余热利用方案1

根据不同地区不同的项目规模选择不同的低温烟气余热利用方案具体方案有如下三种：1）供热与冷。低温烟气的余热通过热水可直接或间接被热用户所利用，有的企业已开始利用烟气加热采暖循环水，用于生活区的供暖或者是采暖水一级回水的预热。但其存在季节局限性，当非采暖季时，余热系统将停止工作，烟气通过旁通烟道进入净化系统，排入大气。为使得余热系统可以全年连续运行，将供热系统与制冷系统相结合，并且二者可以进行合理切换利用低温烟气余热热量作为热源实现冬季向用户供热、夏季作为吸收式制冷系统所需热源，为用户制冷，节约企业冬季采暖及夏季空调的耗电支出。2）动力输。低温烟气的余热通过热水保证有机朗肯循环的进行，以实现动力输出。利用低温烟气余热制备相应温度的热水，热水作为有机朗肯循环的高温热源，有机工质膨胀做功以实现动力输出，在烟气温度不变的情况下，烟气量越大，产生的热水也就越多，相应有机朗肯循环所输出的功也就越多，当相关技术（如工艺、热力循环、控制等）满足一定条件时，可实现烟气与风机运行的自调节。该动力输出装置可作为原有排烟风机的辅助风机，减少风机的耗电。3）余热发。主要是基于有机工质朗肯循环为基础，进行发电。利用电温烟气余热制备相应温度的热水，热水作为有机朗肯循环的高温热源，有机工质膨胀做功，通过涡轮机带动发电机发电，实现余热发电的目的。3.低温烟气余热利用模型的建立3.1过概低温烟气余热利用主要经历三个过程第一个过程为能量传递过程主要是通过换热器实现烟气与传递工质之间的热量转换；第二个过程为能量转换过程，主要是将传递工质回收的低品位热能转换为更高等级的能三个过程为能的输出过程，主要是通过相关设备实现能的输出。3.2烟温的定为防止烟气中酸气成分所产生的低温腐蚀气的低温温度设定值应高于酸气的露点温度，工程中通常要求至少高于酸露点温度10℃，即烟气温度的下限2

SS值的设定应t℃，式为酸露点温度。D在铝行业烟气中酸气成分主要是指SO，HF的露点温度在工况下低2于50SO的露点温度计算公式如（）所示：计算公式如式2t10.8809PH

P

1.06(lgP

2.9943)

（1）式中：P

HO

、SO

为烟气HSO的分压，单位为Pa。HO

HO

r

rrHO

—烟气HO体积分数，rSOrSO

—烟气中的体积分数，—烟气中SO的体积分数，%2—转化的转化系数，根据不同的情况其数值在2之间变化3.3产量算根据烟气降温前后的温差假定烟气带入热量全部被水吸收得可回收换热量为：QCV(tSYY

)Cm(tY1SS

S2

S1

（2）式中：Q——烟气释放热量，kJ/hQ——水吸收热量，kJ/h注：计算未考虑热量损失。由式（2）可看出，回收热量若转换称相应温度的热水，产水量为：Vt)mY(t)SS2S13.4热水换设的力算换

（3）根据式（3）对热水量的估算，设定热水量数值m，假设换热器出口烟气温度t℃，进行热平衡核算。即：3

QQ

（4）t

'Y2

Cm(t)SSS2S1CtYY

（5）由（5求得烟气换热后温度的计算t'若Y

t

t

'

则假定t

2合理。否则，重新设t，进行计算。Y2换换热面积计算值：

Q

（6）式中：F——换热面积，㎡；—对数平均温差，℃

t

Y

)t)S1StlnYtY1S1

（7）K

——换热系数，W/(∙℃)换热输送热水所需最小横截面积：FS

min

mS3600S

S

（8）式中：F

S

min

——最小横截面积，㎡小管数量：n

4FSmin

（9）式中——小管内径，

（10

——小管外径，m——小管壁厚，m根据烟气管道的实际情况，确定与烟气管道垂直方向小管数b，再求得沿烟气流动方向的小管数量a。蛇形管束单管单一行程管道外表面积为14

dD，整个管束单一行程的换Y

热面积为aF，因此换热蛇形管束所需换热行程为：1c

FF

（113.4烟温对工的响烟

(273)N

（12式中：V——标态下烟气体积，Nm/h；t

——烟气工作温度，换烟气压降：

2

(ht

（13式中：——烟气压降，即换热器对烟气产的阻力，Pa；

——烟气密度，kg/m；——烟气流速，——烟气温度补正系数；t

——气体体积膨胀系数，1/273；t——烟气平均温度，。其中：温度补正系根据下式计算而得：t

t

)it273

（14式中ttt分别为烟气的进、出及平均温度，℃。io

3

Re

6

时，换热器管群阻力系

按下式计算：5

d1'2d

0.53，

h

2.8(

（15d1'd

2.5时，

h

Z

S'2Sd1

Re

0.25

（16式中：S，S——管群中管道中心距，；

——管群中管道对角中心距，；——沿烟气流动方向管群的总排数。3.5风电计主排风机电机功率根据式(17)求得：HNY9.81

K

（17）式中：N

——风机电动机功率，kWH——风机风压，

——风机在全压头时的效率（按照风机样本或风机特征曲线查得）

——机械传动效率（联轴器连接去，三角皮带传动取）——安全系数，按1.15～选取吨铝吨铝耗电量的计算如式(18)所示：QH

QM

HJAL

（18）6

FF式中：Q——吨铝耗电量，H

——主排烟风机年耗电量，M

——原铝年产量，吨铝吨铝利用余热回收装置发电或省电量计算如下所示：QQFDMAL式中：Q——吨铝省电量，FQ——余热回收年发电或省电量，kWh/aFD设置综合式（18）和式（）得

（19）QH

F

（20）式中：

——设置余热回收系统后实际吨铝耗电量，kWh/t-Al3.6热收统用余热回收系统利用效率的意义为低温烟气所释放出的热量中被有效利用的热量占总热量的比例，如下式所示：3600XQ

(21)式中：

——余热回收系统利用效率

X

——余热回收系统发电或省电量，将式（21）变换可得：X

（22）余热系统回收的热量作为动力输出或发电，其对应的功率也可表示为：7

X

Qn

（23）式中：

——第n阶段能量转换的转换效率，包含了机械传输、散热等损失综合考虑式（22）和式（23）得余热回收系统利用效率为：2

（24）因此余热回收系统利用效率即为在余热回收过程中各阶段能量转换的效率的乘积。4.建议综上所述，低温烟气余热利用节能效果主要从余热回收系统所发的电量或所节省的电量与其自身耗电及其产生的附加耗电量之间的比较进行分析在烟气温度、成分均已确定的前提下，尽可能降低烟气温度，便可得到更多的热能。然而烟气温度的降低，将会使得烟气中酸气结露而造成设备及管道的低温腐蚀。目前避免低温腐蚀的最佳方法即为将烟气温度控制在酸露点温度之上温烟气温度的设定应综合考虑烟气中各成分的含量而定因此酸露点温度的高低制约着烟气余热回收热量的大小。当在排烟烟道中设置余热回收装置后实现回收余热并加以利用的同时对原工艺的有利影响还在于：（1）随着烟气温度降低，烟气的体积会减小，对应风机的风量降低。（2）烟气净化工段的滤袋过滤风速和温度降低，可以将滤料的材质要求降低，或者在现有的滤袋材质下，滤袋的寿命会延长。对原工艺的附加不利影响主要在于：1）余热回收装置的占地面积而使得原系统的布置改变或增加车间用地。2）余热回收装置对原有工艺系统附加的烟气阻力。以目前的换热器设计制造水平可以使得系统阻力降低至合理范围并实现对低温烟气余热的回收在铝行业烟气余热利用方面今后的研究重点将是如何合理的利用此部分低温余热。由式24）可以看出，提高余热回收利用效率一方面需要提高余热回收系统各能量转换阶段的转换效率一方面即为减少余热回收系统能量转换环节的个数在工程设计中应根据不同地区或不同情况去论证8

低温烟气余热回收项目是否可行并制定相应的余热利用方案最终实现企业的节能减排，实现经济利益与社会效益的双丰收。参考文献[1]富莉.我冶金企业废气余热利用的现[冶金能源，，（[2]赵钦新，王宇峰，王学斌，惠世恩，徐通我国余热利用现状与技术进[J].工锅炉，2009（[3]《有色冶金