低溫余熱利用技術(shù)在鋁行業(yè)的應(yīng)用及基本模型的建立

低溫余熱用技術(shù)在鋁業(yè)的應(yīng)用及基模型的建立摘要煙氣是指溫度低于200℃的氣業(yè)相關(guān)生產(chǎn)工藝的排煙溫度通常介于100～200℃之間，此部分低溫余熱熱能若可合理回收利用，將對(duì)降低鋁行業(yè)工藝能耗起到積極可觀的作用介了三種低溫氣余熱利用方案與基本的數(shù)學(xué)模型后的工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)不同的工程情況選擇合理的方案后文對(duì)余熱利用系統(tǒng)對(duì)原工藝的積極與消極影響進(jìn)行了分析與討論。關(guān)鍵詞：低溫余熱鋁業(yè)工藝有機(jī)朗肯循環(huán)余熱利用效率1.概述在工業(yè)生產(chǎn)中，使用著各種窯爐，如回轉(zhuǎn)窯、加熱爐、轉(zhuǎn)爐、反射爐沸騰焙燒爐等。這些窯爐耗用大量的燃料，但熱效率很低，一般在0%左右。以電解鋁工藝為例電解鋁工藝作為我院設(shè)計(jì)的主體工藝在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中也是能源消耗的大戶2008年我國(guó)電解鋁行業(yè)綜合交流電耗的平均水平為4335千瓦時(shí)/噸，總耗電量達(dá)1889.3億千瓦時(shí)，占全國(guó)電力消耗總量的5%左右。對(duì)于鋁行業(yè)而言，炭素工藝煅燒煙氣溫度達(dá)1000℃左右，通常在窯尾設(shè)置余熱蒸汽鍋爐和余熱熱媒鍋爐備蒸汽用于發(fā)電以及制備高溫?zé)崦接陀糜谔克毓に嚨纳a(chǎn)，經(jīng)過該余熱回收工藝過程之后，煅燒工藝排放的煙氣溫度可降至180℃以下，該工藝技術(shù)已廣泛應(yīng)用。氫氧化鋁焙燒和自備電站鍋爐排煙溫度也均在180℃以下。上述工藝所使用的燃料通常為重油、燃?xì)?、煤等含硫成分相?duì)較高的物質(zhì)排煙煙氣成分中硫份和水份含量相對(duì)較大在保證爐窯熱效率的同時(shí)又不可以無(wú)限制的降低排煙溫度通常排煙溫度設(shè)定值高于煙氣酸露點(diǎn)溫度10℃，因此，這些工藝子項(xiàng)的煙氣余熱回收的空間十分有限。電解鋁工藝排煙溫度介于100～140之間，電解槽出口煙氣溫度最高可達(dá)200℃，為保證電解煙氣凈化設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，電解槽至煙氣凈化設(shè)備之間的管道均不保溫以降低煙氣的溫度電解鋁工藝煙氣量大且運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定煙氣露點(diǎn)溫度也相對(duì)較低因此此部分余熱熱能若可合理回收利用將對(duì)降低電解鋁工藝能耗起到積極可觀的作用同時(shí)煙氣溫度的降低也將提高凈化設(shè)備濾料的使用壽命。目前，已有許多高校及工廠企業(yè)著手與此方面的研究。2.低溫余熱利用方案1

根據(jù)不同地區(qū)不同的項(xiàng)目規(guī)模選擇不同的低溫?zé)煔庥酂崂梅桨妇唧w方案有如下三種：1）供熱與冷。低溫?zé)煔獾挠酂嵬ㄟ^熱水可直接或間接被熱用戶所利用，有的企業(yè)已開始利用煙氣加熱采暖循環(huán)水，用于生活區(qū)的供暖或者是采暖水一級(jí)回水的預(yù)熱。但其存在季節(jié)局限性，當(dāng)非采暖季時(shí)，余熱系統(tǒng)將停止工作，煙氣通過旁通煙道進(jìn)入凈化系統(tǒng)，排入大氣。為使得余熱系統(tǒng)可以全年連續(xù)運(yùn)行，將供熱系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)相結(jié)合，并且二者可以進(jìn)行合理切換利用低溫?zé)煔庥酂釤崃孔鳛闊嵩磳?shí)現(xiàn)冬季向用戶供熱、夏季作為吸收式制冷系統(tǒng)所需熱源，為用戶制冷，節(jié)約企業(yè)冬季采暖及夏季空調(diào)的耗電支出。2）動(dòng)力輸。低溫?zé)煔獾挠酂嵬ㄟ^熱水保證有機(jī)朗肯循環(huán)的進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出。利用低溫?zé)煔庥酂嶂苽湎鄳?yīng)溫度的熱水，熱水作為有機(jī)朗肯循環(huán)的高溫?zé)嵩?，有機(jī)工質(zhì)膨脹做功以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出，在煙氣溫度不變的情況下，煙氣量越大，產(chǎn)生的熱水也就越多，相應(yīng)有機(jī)朗肯循環(huán)所輸出的功也就越多，當(dāng)相關(guān)技術(shù)（如工藝、熱力循環(huán)、控制等）滿足一定條件時(shí)，可實(shí)現(xiàn)煙氣與風(fēng)機(jī)運(yùn)行的自調(diào)節(jié)。該動(dòng)力輸出裝置可作為原有排煙風(fēng)機(jī)的輔助風(fēng)機(jī)，減少風(fēng)機(jī)的耗電。3）余熱發(fā)。主要是基于有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)為基礎(chǔ)，進(jìn)行發(fā)電。利用電溫?zé)煔庥酂嶂苽湎鄳?yīng)溫度的熱水，熱水作為有機(jī)朗肯循環(huán)的高溫?zé)嵩矗袡C(jī)工質(zhì)膨脹做功，通過渦輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)余熱發(fā)電的目的。3.低溫?zé)煔庥酂崂媚Ｐ偷慕?.1過概低溫?zé)煔庥酂崂弥饕?jīng)歷三個(gè)過程第一個(gè)過程為能量傳遞過程主要是通過換熱器實(shí)現(xiàn)煙氣與傳遞工質(zhì)之間的熱量轉(zhuǎn)換；第二個(gè)過程為能量轉(zhuǎn)換過程，主要是將傳遞工質(zhì)回收的低品位熱能轉(zhuǎn)換為更高等級(jí)的能三個(gè)過程為能的輸出過程，主要是通過相關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)能的輸出。3.2煙溫的定為防止煙氣中酸氣成分所產(chǎn)生的低溫腐蝕氣的低溫溫度設(shè)定值應(yīng)高于酸氣的露點(diǎn)溫度，工程中通常要求至少高于酸露點(diǎn)溫度10℃，即煙氣溫度的下限2

SS值的設(shè)定應(yīng)t℃，式為酸露點(diǎn)溫度。D在鋁行業(yè)煙氣中酸氣成分主要是指SO，HF的露點(diǎn)溫度在工況下低2于50SO的露點(diǎn)溫度計(jì)算公式如（）所示：計(jì)算公式如式2t10.8809PH

P

1.06(lgP

2.9943)

（1）式中：P

HO

、SO

為煙氣HSO的分壓，單位為Pa。HO

HO

r

rrHO

—煙氣HO體積分?jǐn)?shù)，rSOrSO

—煙氣中的體積分?jǐn)?shù)，—煙氣中SO的體積分?jǐn)?shù)，%2—轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化系數(shù)，根據(jù)不同的情況其數(shù)值在2之間變化3.3產(chǎn)量算根據(jù)煙氣降溫前后的溫差假定煙氣帶入熱量全部被水吸收得可回收換熱量為：QCV(tSYY

)Cm(tY1SS

S2

S1

（2）式中：Q——煙氣釋放熱量，kJ/hQ——水吸收熱量，kJ/h注：計(jì)算未考慮熱量損失。由式（2）可看出，回收熱量若轉(zhuǎn)換稱相應(yīng)溫度的熱水，產(chǎn)水量為：Vt)mY(t)SS2S13.4熱水換設(shè)的力算換

（3）根據(jù)式（3）對(duì)熱水量的估算，設(shè)定熱水量數(shù)值m，假設(shè)換熱器出口煙氣溫度t℃，進(jìn)行熱平衡核算。即：3

QQ

（4）t

'Y2

Cm(t)SSS2S1CtYY

（5）由（5求得煙氣換熱后溫度的計(jì)算t'若Y

t

t

'

則假定t

2合理。否則，重新設(shè)t，進(jìn)行計(jì)算。Y2換換熱面積計(jì)算值：

Q

（6）式中：F——換熱面積，㎡；—對(duì)數(shù)平均溫差，℃

t

Y

)t)S1StlnYtY1S1

（7）K

——換熱系數(shù)，W/(?℃)換熱輸送熱水所需最小橫截面積：FS

min

mS3600S

S

（8）式中：F

S

min

——最小橫截面積，㎡小管數(shù)量：n

4FSmin

（9）式中——小管內(nèi)徑，

（10

——小管外徑，m——小管壁厚，m根據(jù)煙氣管道的實(shí)際情況，確定與煙氣管道垂直方向小管數(shù)b，再求得沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向的小管數(shù)量a。蛇形管束單管單一行程管道外表面積為14

dD，整個(gè)管束單一行程的換Y

熱面積為aF，因此換熱蛇形管束所需換熱行程為：1c

FF

（113.4煙溫對(duì)工的響煙

(273)N

（12式中：V——標(biāo)態(tài)下煙氣體積，Nm/h；t

——煙氣工作溫度，換煙氣壓降：

2

(ht

（13式中：——煙氣壓降，即換熱器對(duì)煙氣產(chǎn)的阻力，Pa；

——煙氣密度，kg/m；——煙氣流速，——煙氣溫度補(bǔ)正系數(shù)；t

——?dú)怏w體積膨脹系數(shù)，1/273；t——煙氣平均溫度，。其中：溫度補(bǔ)正系根據(jù)下式計(jì)算而得：t

t

)it273

（14式中ttt分別為煙氣的進(jìn)、出及平均溫度，℃。io

3

Re

6

時(shí)，換熱器管群阻力系

按下式計(jì)算：5

d1'2d

0.53，

h

2.8(

（15d1'd

2.5時(shí)，

h

Z

S'2Sd1

Re

0.25

（16式中：S，S——管群中管道中心距，；

——管群中管道對(duì)角中心距，；——沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向管群的總排數(shù)。3.5風(fēng)電計(jì)主排風(fēng)機(jī)電機(jī)功率根據(jù)式(17)求得：HNY9.81

K

（17）式中：N

——風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)功率，kWH——風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，

——風(fēng)機(jī)在全壓頭時(shí)的效率（按照風(fēng)機(jī)樣本或風(fēng)機(jī)特征曲線查得）

——機(jī)械傳動(dòng)效率（聯(lián)軸器連接去，三角皮帶傳動(dòng)?。踩禂?shù)，按1.15～選取噸鋁噸鋁耗電量的計(jì)算如式(18)所示：QH

QM

HJAL

（18）6

FF式中：Q——噸鋁耗電量，H

——主排煙風(fēng)機(jī)年耗電量，M

——原鋁年產(chǎn)量，噸鋁噸鋁利用余熱回收裝置發(fā)電或省電量計(jì)算如下所示：QQFDMAL式中：Q——噸鋁省電量，F(xiàn)Q——余熱回收年發(fā)電或省電量，kWh/aFD設(shè)置綜合式（18）和式（）得

（19）QH

F

（20）式中：

——設(shè)置余熱回收系統(tǒng)后實(shí)際噸鋁耗電量，kWh/t-Al3.6熱收統(tǒng)用余熱回收系統(tǒng)利用效率的意義為低溫?zé)煔馑尫懦龅臒崃恐斜挥行Ю玫臒崃空伎偀崃康谋壤?，如下式所示?600XQ

(21)式中：

——余熱回收系統(tǒng)利用效率

X

——余熱回收系統(tǒng)發(fā)電或省電量，將式（21）變換可得：X

（22）余熱系統(tǒng)回收的熱量作為動(dòng)力輸出或發(fā)電，其對(duì)應(yīng)的功率也可表示為：7

X

Qn

（23）式中：

——第n階段能量轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換效率，包含了機(jī)械傳輸、散熱等損失綜合考慮式（22）和式（23）得余熱回收系統(tǒng)利用效率為：2

（24）因此余熱回收系統(tǒng)利用效率即為在余熱回收過程中各階段能量轉(zhuǎn)換的效率的乘積。4.建議綜上所述，低溫?zé)煔庥酂崂霉?jié)能效果主要從余熱回收系統(tǒng)所發(fā)的電量或所節(jié)省的電量與其自身耗電及其產(chǎn)生的附加耗電量之間的比較進(jìn)行分析在煙氣溫度、成分均已確定的前提下，盡可能降低煙氣溫度，便可得到更多的熱能。然而煙氣溫度的降低，將會(huì)使得煙氣中酸氣結(jié)露而造成設(shè)備及管道的低溫腐蝕。目前避免低溫腐蝕的最佳方法即為將煙氣溫度控制在酸露點(diǎn)溫度之上溫?zé)煔鉁囟鹊脑O(shè)定應(yīng)綜合考慮煙氣中各成分的含量而定因此酸露點(diǎn)溫度的高低制約著煙氣余熱回收熱量的大小。當(dāng)在排煙煙道中設(shè)置余熱回收裝置后實(shí)現(xiàn)回收余熱并加以利用的同時(shí)對(duì)原工藝的有利影響還在于：（1）隨著煙氣溫度降低，煙氣的體積會(huì)減小，對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量降低。（2）煙氣凈化工段的濾袋過濾風(fēng)速和溫度降低，可以將濾料的材質(zhì)要求降低，或者在現(xiàn)有的濾袋材質(zhì)下，濾袋的壽命會(huì)延長(zhǎng)。對(duì)原工藝的附加不利影響主要在于：1）余熱回收裝置的占地面積而使得原系統(tǒng)的布置改變或增加車間用地。2）余熱回收裝置對(duì)原有工藝系統(tǒng)附加的煙氣阻力。以目前的換熱器設(shè)計(jì)制造水平可以使得系統(tǒng)阻力降低至合理范圍并實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫?zé)煔庥酂岬幕厥赵阡X行業(yè)煙氣余熱利用方面今后的研究重點(diǎn)將是如何合理的利用此部分低溫余熱。由式24）可以看出，提高余熱回收利用效率一方面需要提高余熱回收系統(tǒng)各能量轉(zhuǎn)換階段的轉(zhuǎn)換效率一方面即為減少余熱回收系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的個(gè)數(shù)在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)或不同情況去論證8

低溫?zé)煔庥酂峄厥枕?xiàng)目是否可行并制定相應(yīng)的余熱利用方案最終實(shí)現(xiàn)企業(yè)的節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益與社會(huì)效益的雙豐收。參考文獻(xiàn)[1]富莉.我冶金企業(yè)廢氣余熱利用的現(xiàn)[冶金能源，，（[2]趙欽新，王宇峰，王學(xué)斌，惠世恩，徐通我國(guó)余熱利用現(xiàn)狀與技術(shù)進(jìn)[J].工鍋爐，2009（[3]《有色冶金