CN103572328B - 一种回收电解铝工艺低温烟气余热热能的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回收电解铝工艺低温烟气余热热能的装置。在电解槽排放烟气母管上增设余热回收***旁路，此旁路可切换***运行时是否进行余热回收。余热回收***以热水为低温烟气余热回收热量的传递工质，以饱和温度80-85℃、饱和压力0.5-0.8MPa的有机工质作为能量转换的有机循环工质，实现烟气余热的回收以及动力的输出。本发明优点：（1）降低进入除尘器的烟气温度，延长除尘器滤料的使用寿命，降低除尘器的投资成本；（2）将烟气温度降低而产生的散热量集中回收，用于烟气的增压风机，在克服换热器所增加的烟气阻力的同时，增加了烟气的送气压力，减少了烟气主引风机的负荷，降低主引风机的使用功率，节约电能。

Description

一种回收电解铝工艺低温烟气余热热能的装置

技术领域

本发明涉及冶金领域，具体说是一种回收电解铝工艺低温烟气余热热能的装置。

背景技术

电解铝生产企业是全球公认的能耗大户。在生产过程中，输入的能量仅40%～45%得到有效利用，烟气带走的热量大致占整个电解槽体系能量支出的15%～30%。铝电解槽排放烟气温度介于100～140℃之间，烟气成分以N₂和O₂为主，含有少量的CO₂、CO、Ar和HF。

电解槽排放的烟气需要进行除尘处理后，才可以排放至大气。除尘器入口烟气温度过高，对滤料的寿命会产生不利影响，增加除尘器的投资及维护成本。目前，电解槽至除尘器之间的烟道，均不保温，目的是尽可能的散掉热量，使得除尘器入口烟气温度降低。

铝电解槽排放烟气量很大，成分相对稳定且露点温度较低，其蕴含丰富的低温余热资源。目前的电解铝生产工艺，此部分热量直接散发至大气，没有得到合理的利用。

在电解铝行业中，如何合理有效的利用该资源，是制约余热回收技术的主要因素。随着铝电解技术的不断发展，电解铝生产规模不断扩大，节能减排技术也越来越引起全社会的关注，回收烟气带走的能量，对降低铝行业能耗、提高企业经济效益、响应国家政策打造低碳环保式生产等方面均具有重要的经济和社会意义。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种余热回收利用的工艺方法，目的是合理有效的回收电解槽排放的低温烟气余热热能，并将此部分热能应用于烟气排放工艺之中，降低电解铝生产的能耗，提高经济效益。

为了实现上述目的，本发明是通过如下技术方案来实现的。

回收电解铝工艺低温烟气余热热能的装置，在电解槽排放烟气母管上增设余热回收***旁路，所述余热回收***包括列管换热器1、软化水泵2、有机工质蒸发器3、有机工质加压泵4、有机工质冷凝器5、工业透平机6、风机7、循环水泵8、有机工质储液箱9、除尘器10、冷却塔11、软化水箱12。通过软化水泵2，将软化水送至列管换热器1，所述列管换热器1内设置换热管束；通过烟气冲刷换热管束，使软化水加热成为95℃的饱和水，同时，列管换热器1出口烟气温度降至80℃。所述的饱和水进入有机工质蒸发器3，将热量传递给有机工质（如R123），软化水冷却至85℃，再回到列管换热器中循环使用；在有机工质蒸发器3中，有机工质（如R123）被加热，产生0.5MPa饱和有机工质蒸汽，送至工业透平机6进行做功，工业透平机6通过连轴器带动风机7将烟气送至除尘器10；在工业透平机6中做功后的有机工质为0.2MPa饱和蒸汽，经有机工质冷凝器5两级冷却后，进入有机工质储液箱9；有机工质冷凝器5由两级冷却器组成，第一级冷却器的冷却介质为进入有机工质蒸发器3之前的有机工质，有机工质加压泵4将有机工质储液箱中的有机工质先送至有机工质冷凝器5的第一级冷却器，经过做功后的0.2MPa饱和有机工质蒸汽的预热后，进入有机工质蒸发器3，同时，在第一级冷却器中，有机工质对0.2MPa饱和有机工质蒸汽进行预冷却；第二级冷却器的冷却介质为工业循环水，循环水泵将冷却水送至有机工质冷凝器5第二级冷却器，对有机工质蒸汽进一步冷却，使之成为常温有机工质液体；换热后的循环水，回至冷却塔，进行冷却，循环使用。

在电解槽排放烟气母管上设置切断闸门对烟气的流向进行切换，用于对运行时是否进行余热回收进行控制。

列管式换热器1为适用于电解烟气的列管式换热器，换热介质为软化水，进出口水温分别为85℃和95℃，换热器内烟气流速为2-5m/s，换热管束采用带肋片的耐磨钢管，换热器设置吹灰装置和收灰斗，吹灰装置气源采用0.6MPa的压缩空气。

有机工质冷凝器采用两级冷却方式，其中第一级冷却器在实现冷却有机工质蒸汽的同时，还起到预热新有机工质的作用。

该余热回收***适用于饱和温度80-85℃，饱和压力0.5-0.8MPa的有机工质。

利用有机工质饱和蒸汽推动工业透平机做功，通过驱动风机进行做功。

本发明对原电解工艺烟气排放***的积极影响有：（1）降低进入除尘器的烟气温度，延长除尘器滤料的使用寿命，降低除尘器的投资成本；（2）将烟气温度降低而产生的散热量集中回收，用于烟气的增压风机，在克服换热器所增加的烟气阻力的同时，增加了烟气的送气压力，减少了烟气主引风机的负荷，降低主引风机的使用功率，节约电能。

本发明在电解槽烟气母管上设置余热回收旁路，通过切断闸门对烟气的正常流向进行切换。正常工作状态为母管闸门关闭，开启旁路烟道闸门，烟气经余热回收旁路进入除尘器；当余热回收***事故及维护时，关闭旁路闸门，开启母管闸门，烟气经原母管进入除尘器，以保证电解工艺的正常运行。该发明切换方便，不仅适用于新建电解铝工程，也便于在原有电解铝厂加设该余热回收***。

本发明采用适用于电解烟气的列管式换热器，换热介质为软化水，进出口水温分别为85℃和95℃，换热器内烟气流速为2-5m/s，换热管束采用带肋片的耐磨钢管，换热器设置吹灰装置和收灰斗，吹灰装置气源采用0.6MPa的压缩空气。

本发明采用两级冷却的有机工质冷凝器，其中第一级冷却器在实现冷却有机工质蒸汽的同时，还起到预热新有机工质的作用。

本发明适用于饱和温度80-85℃，饱和压力0.5-0.8MPa的有机工质。

附图说明

图1是回收电解铝工艺低温烟气余热热能的工艺流程图。

图中：1、列管换热器；2、软化水泵；3、有机工质蒸发器；4、有机工质加压泵；5、有机工质冷凝器；6、工业透平机；7、风机；8、循环水泵；9、有机工质储液箱；10、除尘器；11、冷却塔；12、软化水箱；13、软化水补水泵；14、主排烟风机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

回收电解铝工艺低温烟气余热热能的装置，在电解槽排放烟气母管上增设余热回收***旁路，所述余热回收***包括列管换热器1、软化水泵2、有机工质蒸发器3、有机工质加压泵4、有机工质冷凝器5、工业透平机6、风机7、循环水泵8、有机工质储液箱9、除尘器10、冷却塔11、软化水箱12。通过软化水泵2，将软化水送至列管换热器1，所述列管换热器1内设置换热管束；通过烟气冲刷换热管束，使软化水加热成为95℃的饱和水，同时，列管换热器1出口烟气温度降至80℃。所述的饱和水进入有机工质蒸发器3，将热量传递给有机工质（如R123），软化水冷却至85℃，再回到列管换热器中循环使用；在有机工质蒸发器3中，有机工质（如R123）被加热，产生0.5MPa饱和有机工质蒸汽，送至工业透平机6进行做功，工业透平机6通过连轴器带动风机7将烟气送至除尘器10；在工业透平机6中做功后的有机工质为0.2MPa饱和蒸汽，经有机工质冷凝器5两级冷却后，进入有机工质储液箱9；有机工质冷凝器5由两级冷却器组成，第一级冷却器的冷却介质为进入有机工质蒸发器3之前的有机工质，有机工质加压泵4将有机工质储液箱中的有机工质先送至有机工质冷凝器5的第一级冷却器，经过做功后的0.2MPa饱和有机工质蒸汽的预热后，进入有机工质蒸发器3，同时，在第一级冷却器中，有机工质对0.2MPa饱和有机工质蒸汽进行预冷却；第二级冷却器的冷却介质为工业循环水，循环水泵将冷却水送至有机工质冷凝器5第二级冷却器，对有机工质蒸汽进一步冷却，使之成为常温有机工质液体；换热后的循环水，回至冷却塔，进行冷却，循环使用。

在电解槽排放烟气母管上设置切断闸门对烟气的流向进行切换，用于对运行时是否进行余热回收进行控制。

列管式换热器1为适用于电解烟气的列管式换热器，换热介质为软化水，进出口水温分别为85℃和95℃，换热器内烟气流速为2-5m/s，换热管束采用带肋片的耐磨钢管，换热器设置吹灰装置和收灰斗，吹灰装置气源采用0.6MPa的压缩空气。

有机工质冷凝器采用两级冷却方式，其中第一级冷却器在实现冷却有机工质蒸汽的同时，还起到预热新有机工质的作用。

该余热回收***适用于饱和温度80-85℃，饱和压力0.5-0.8MPa的有机工质。

利用有机工质饱和蒸汽推动工业透平机做功，通过驱动风机进行做功。

如上所述，本发明主要由三个***组成，即烟气换热***、基于有机工质朗肯循环的动力输出***、风机***。

1.烟气换热***

烟气换热***以水作为热量传递工质，将烟气的余热进行回收，所回收热能的数值计算方法如下：

根据不同规模的电解铝工程，假定电解烟气排放烟气流量为V_N，单位为Nm³/h；烟气排放温度为t₁，经换热装置后烟气排放温度为t₂，单位为℃；标态下烟气的体积比热为C_NV。则烟气可回收热能为：

Q＝C_NVV_N(t₁-t₂)

考虑换热器换热效率η₁，则实际回收热量为：

Q₁＝η₁Q(kJ/h)

2.基于有机工质朗肯循环的动力输出***

动力输出***基于有机工质朗肯循环，利用低沸点有机工质循环做功，通过工业透平机实现能量转换，利用风机进行动力输出。该***所需能量由换热***制备的热水来提供，假定该装置的效率为η₂，则此阶段转化为有用功的热量为：

Q₂＝η₂Q₁(kJ/h)

折算成输出功率为：

$P_1=\frac{Q_2}{3600}\left(\mathrm{kW}\right)$

3.风机***

假定驱动风机的效率为η₃，则风机的输出功率为：

P₂＝η₃P₁(kW)

在驱动排烟风机做功阶段所输出的能量即为本发明在电解铝工艺生产中所回收并利用的低温烟气余热热能。

综合前面各阶段的能量回收过程与传递过程，本发明在电解铝工艺生产中所回收并利用的低温烟气余热热能数学表达式为：

$P_Y=\frac{{\mathrm{\η}}_1{\mathrm{\η}}_2{\mathrm{\η}}_3{C}_{\mathrm{NV}}(t_1-t_2)}{3600}\·V_N\left(\mathrm{kW}\right)$

Claims (4)

1.一种回收电解铝工艺低温烟气余热热能的装置，其特征在于在电解槽排放烟气母管上增设余热回收***旁路，所述余热回收***包括列管换热器(1)、软化水泵(2)、有机工质蒸发器(3)、有机工质加压泵(4)、有机工质冷凝器(5)、工业透平机(6)、风机(7)、循环水泵(8)、有机工质储液箱(9)、除尘器(10)、冷却塔(11)、软化水箱(12)；通过软化水泵(2)，将软化水送至列管换热器(1)，所述列管换热器(1)内设置换热管束；通过烟气冲刷换热管束，使软化水加热成为95℃的饱和水，同时，列管换热器(1)出口烟气温度降至80℃；所述的饱和水进入有机工质蒸发器(3)，将热量传递给有机工质，软化水冷却至85℃，再回到列管换热器中循环使用；在有机工质蒸发器(3)中，有机工质被加热，产生0.5MPa饱和有机工质蒸汽，送至工业透平机(6)进行做功，工业透平机(6)通过连轴器带动风机(7)将烟气送至除尘器(10)；在工业透平机(6)中做功后的有机工质为0.2MPa饱和蒸汽，经有机工质冷凝器(5)两级冷却后，进入有机工质储液箱(9)；有机工质冷凝器(5)由两级冷却器组成，第一级冷却器的冷却介质为进入有机工质蒸发器(3)之前的有机工质，有机工质加压泵(4)将有机工质储液箱中的有机工质先送至有机工质冷凝器(5)的第一级冷却器，经过做功后的0.2MPa饱和有机工质蒸汽的预热后，进入有机工质蒸发器(3)，同时，在第一级冷却器中，有机工质对0.2MPa饱和有机工质蒸汽进行预冷却；第二级冷却器的冷却介质为工业循环水，循环水泵将冷却水送至有机工质冷凝器(5)第二级冷却器，对有机工质蒸汽进一步冷却，使之成为常温有机工质液体；换热后的循环水，回至冷却塔，进行冷却，循环使用。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于在电解槽排放烟气母管上设置切断闸门对烟气的流向进行切换，用于对运行时是否进行余热回收进行控制。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于列管式换热器(1)为适用于电解烟气的列管式换热器，换热介质为软化水，进出口水温分别为85℃和95℃，换热器内烟气流速为2-5m/s，换热管束采用带肋片的耐磨钢管，换热器设置吹灰装置和收灰斗，吹灰装置气源采用0.6MPa的压缩空气。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于该余热回收***适用于饱和温度80-85℃，饱和压力0.5-0.8MPa的有机工质。