氧化鋁焙燒爐煙氣余熱利用探討

畢有才，徐 浩

（山西兆豐鋁業(yè)氧化鋁分公司，山西 陽泉045000）

1 煙氣余熱資源分析

目前，氣態(tài)懸浮焙燒爐的使用中普遍存在著熱量利用率低下、排放煙氣余熱溫度過高等問題。山西兆豐鋁業(yè)氧化鋁分公司有1臺1 350 t/d氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒裝置，焙燒爐主要熱支出狀況為：產(chǎn)品氧化鋁從焙燒爐帶走顯熱比例約為10.53%，濕煙氣帶走熱量比例約59.79%。其中干煙氣帶走的熱量比例為10.76%，煙氣中水蒸氣帶走熱比例高達為47.03%。排出濕煙氣的標態(tài)流量達10.6萬m3/h，煙氣溫度約156℃，煙氣含水約40%。煙氣余熱具有很大的利用價值，特別是煙氣中水蒸汽潛熱的利用。在不能改變生產(chǎn)工藝狀況的前提下，只要將煙氣和焙燒爐排料氧化鋁里的熱量回收再投入生產(chǎn)中應用，也能達到節(jié)能的目的。

因此，考慮將煙氣溫度降至105℃左右，回收煙氣顯熱，用于加熱平盤洗水。105℃至156℃煙氣的平均定壓比熱容為1.428 kJ/（m3·K），煙氣溫度由156℃降到105℃可回收的熱量為7.41×106kJ/h；可加熱溫差為30℃的水量為59 t/h；可回收煙氣顯熱為5.34×1010kJ/a；回收的能量折合標煤為1 822 tce/a；回收的能量折算為0.6 MPa的飽和蒸汽（焓值2 756 kJ/kg）量為19 376 t/a；回收能量按蒸汽價格折算達145.3萬元/a人民幣（蒸汽按75元/t計算）。

2 熱管式換熱器余熱回收裝置

利用熱管式換熱器的余熱回收裝置能將煙氣中的高品位余熱進行回收，可使懸浮焙燒爐熱利用效率提高8%～10%。它是把傳統(tǒng)焙燒爐排出的煙氣，用于加熱平盤洗水，實現(xiàn)節(jié)能，這個裝置的使用對懸浮焙燒爐熱利用效率的提高具有實際意義。

2.1 熱交換系統(tǒng)工藝流程

熱交換系統(tǒng)包括徑向夾套熱管換熱器、給水預熱器、混水器、流程回路和溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。

溫度約為65℃的蒸發(fā)回水（給水）從總管經(jīng)加壓泵、止回閥、氣動閥、管路、閥門進入給水預熱器，吸收從徑向夾套熱管換熱器中流出的溫度約為125℃的高溫水的熱量進行預熱，經(jīng)過預熱后溫度約為95℃的水經(jīng)閥門進入徑向夾套熱管換熱器。為了保證進入徑向夾套熱管換熱器的水溫度在95℃左右，通過安裝在閥門前的溫度傳感器，控制調(diào)節(jié)安裝在通往預熱器給水管路上的氣動調(diào)節(jié)閥來調(diào)整冷水流量，從而調(diào)整流向徑向夾套熱管換熱器的水溫。經(jīng)徑向夾套熱管換熱器與煙氣換熱后的125℃的高溫水，經(jīng)過預熱器與給水熱交換后溫度降到95℃，經(jīng)過閥門、流量計送用戶終端（熱水槽或平盤洗水）。

溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)由數(shù)顯溫度傳感器TC、可編程控制器、調(diào)節(jié)閥及連接導線組成。流程回路、換熱器進口處的流體溫度通過數(shù)顯溫度傳感器、可編程控制器作用于調(diào)節(jié)閥，實現(xiàn)冷流體流量的實時調(diào)節(jié)，使換熱器最低壁溫處于煙氣露點溫度之上。氣動閥設有旁通閥，正常情況下，旁通閥處于關(guān)閉狀態(tài)，當氣動閥出現(xiàn)故障時，可通過關(guān)閉氣動閥前后兩個閥門，同時打開旁通閥實現(xiàn)手動控制。此外，流程中還設置了排空放氣閥和排污閥，用于系統(tǒng)停運后排泄管道內(nèi)殘留的介質(zhì)。

2.2 換熱器結(jié)構(gòu)特點

煙氣豎直方向流過熱管，與熱管管束的外表面（包括翅片）進行熱交換后，熱管內(nèi)的工質(zhì)被汽化，汽化后的工質(zhì)在冷凝段與夾套中的給水進行熱交換，工質(zhì)冷凝放熱后重新成為液體。這樣循環(huán)繼續(xù)上述過程，使煙氣熱量源源不斷地加熱給水。由于熱管內(nèi)汽、液兩相處于飽和平衡狀態(tài)，因此熱管管壁具有良好的等溫性，可以避免局部“冷區(qū)”。熱管的溫度由工質(zhì)、管束的布置結(jié)構(gòu)及煙氣和給水的狀態(tài)共同決定，只要進行合理的設計就能使熱管管束的管壁溫度保持在煙氣露點之上，從而避免露點腐蝕發(fā)生，提高設備的使用壽命，保證生產(chǎn)正常進行。

2.3 旁通煙道的改造

將原有系統(tǒng)煙道改裝成2個旁通管，1個旁通接換熱器，另一旁通起備用調(diào)節(jié)作用。整個系統(tǒng)需增設1個煙道閥。根據(jù)生產(chǎn)要求，調(diào)節(jié)旁通閥的開度可任意調(diào)節(jié)通過換熱器的煙氣流量，改變通過換熱器系統(tǒng)的煙氣流動阻力，以免影響正常生產(chǎn)。

2.4 系統(tǒng)阻力計算

整個煙氣余熱回收系統(tǒng)的阻力為沿程阻力和各彎頭、閥門與截面突變位置局部阻力及熱交換設備阻力之和。經(jīng)計算，沿程阻力為19 Pa；局部阻力為43 Pa；熱交換器阻力為380 Pa。系統(tǒng)總阻力為上述3項阻力之和為442 Pa。

2.5 余熱回收裝置的特點

1）水熱媒工藝。以軟水作為熱媒，回收低溫煙氣顯熱。通過對軟水預熱或控制軟水入口溫度，提高與煙氣接觸的換熱器表面溫度，防止水蒸汽含量高的低溫煙氣結(jié)露，從而防止露點腐蝕。

2）低溫煙氣換熱設備。該煙氣換熱器采用的是專門針對含硫低溫煙氣余熱資源設計的徑向夾套熱管換熱器，熱管夾套內(nèi)充裝能提高壁溫防止露點腐蝕的無機混合工質(zhì)，熱管采用專用的耐硫酸露點腐蝕的ND鋼。徑向熱管能更有效地控制壁面溫度。由于冷流體與熱流體間有徑向夾套，存在一定的溫度梯度，且熱側(cè)的面積遠遠大于冷側(cè)的面積，所以能更好地提高壁面溫度。徑向熱管具有很高的等溫性能。徑向熱管環(huán)隙內(nèi)的飽和蒸汽壓力取決于飽和溫度，外管表面溫度基本相等。不凝性氣體對其影響極小，其傳熱性能相對較好。高導熱性，徑向熱管靠工質(zhì)的汽、液相變傳熱熱阻小?；懿捎孟嗤馁|(zhì)的徑向熱管。

3）低阻力內(nèi)部結(jié)構(gòu)。換熱器管束采用正方形順排，降低了煙氣流速，達到降低煙氣阻力的目的，煙氣側(cè)阻力＜420 Pa。

4）防低溫露點腐蝕材質(zhì)。換熱管采用專用的耐硫酸露點腐蝕的ND鋼，為了進一步有效防止換熱器的露點腐蝕，通過增加給預熱器提高進入換熱器的冷水溫度，即可起到提高換熱器的壁溫，避免露點腐蝕的效果。

5）多點空氣激波吹灰。以壓縮空氣為工作介質(zhì)產(chǎn)生沖擊波除灰，利用激波、聲波、高速氣流多重作用吹灰。綜合了聲波吹灰器、燃氣激波吹灰器的吹灰優(yōu)點，吹灰效果更好，使用更安全。

6）PLC控制系統(tǒng)。設置由數(shù)顯溫度傳感器TC、可編程控制器、調(diào)節(jié)閥及數(shù)據(jù)線組成的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，確保在工藝流程中溫度始終能夠在符合工藝要求的范圍內(nèi)，確保生產(chǎn)穩(wěn)定。

3 控制系統(tǒng)及控制方案

根據(jù)工藝要求，為確保余熱回收利用系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，采用上位工控機+西門子S7-300 PLC的控制方式。即主要參數(shù)采用進口儀表控制，如壓力、溫度、流量等，PLC通過MPI網(wǎng)絡與上位工控機通訊。在上位機上，可監(jiān)視換熱系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)及設備的運行狀況，并對PLC和儀表發(fā)出指令。

泵電機的運行反饋、過載信號、啟動信號，電動閥、電磁閥的開、關(guān)等電氣控制信號進入PLC系統(tǒng)。

1）換熱器出水溫度控制。換熱器出水溫度設定值為125℃。通過溫度傳感器測量換熱器出水溫度信號進PLC模塊與PLC人機界面。溫度測量值與設定值進行比較：測量值大于設定值時，調(diào)節(jié)模塊發(fā)出指令，調(diào)節(jié)電動閥開度增加，使冷流體的流量增加，換熱器出水溫度下降，直至與設定值相等；溫度測量值小于設定值時，調(diào)節(jié)模塊發(fā)出指令，調(diào)節(jié)電動閥開度減少，使冷流體進換熱器的流量減少，換熱器出水溫度升高，直至與設定值相等。

2）泵起動控制。泵電機功率7.5 kW，人機界面上設泵起動、運行控制模塊。

3）吹灰控制。設定值：每1 h吹灰1次，30電磁閥順序動作，每個電磁閥動作5 s，間隔10 s。設定值可調(diào)。通過PLC調(diào)節(jié)PID，控制吹灰器的開關(guān)元件，實現(xiàn)電磁閥動作。

4）人機界面。顯示各測點流量、壓力、溫度等。人機界面上設兩個調(diào)節(jié)畫面，分別為換熱器出口溫度調(diào)節(jié)（分別設為手動/自動）和吹灰脈沖調(diào)節(jié)畫面。通過菜單設置吹灰器、換熱器、調(diào)節(jié)、泵運行、歷史記錄、故障報警等畫面。

4 改造要求

1）安裝熱管余熱換熱器系統(tǒng)1套，包括除灰系統(tǒng)、煙氣和熱水溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、煙溫檢測系統(tǒng)。2）控制系統(tǒng)具有遠程控制能力，提供接入主控室DCS的信號輸入模塊實現(xiàn)自動控制，即設定一個輸出溫度值，系統(tǒng)能夠通過自動調(diào)節(jié)水量、水速等相關(guān)參數(shù)來實現(xiàn)溫度的控制，也能夠進行手動控制。3）換熱器阻力＜500 Pa，以保證焙燒爐和原ID風機穩(wěn)定運行。4）焙燒爐的排煙溫度下降到105℃。5）加熱溫差為30℃的洗水流量達到55 m3/h以上。

5 經(jīng)濟效益分析

從2008年投產(chǎn)，兆豐鋁業(yè)氧化鋁分公司通過安裝換熱設備對焙燒爐煙氣余熱進行回收，加熱用于平盤過濾機的洗水，取代原來用蒸汽來加熱平盤過濾洗滌用水。2012年技改完成后，項目取得圓滿成功，獲得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

1）節(jié)約加熱平盤洗水用蒸汽費用。使用回收的熱量加熱洗水，蒸發(fā)來水溫度約為65℃，經(jīng)余熱系統(tǒng)加熱后至用戶溫度約為95℃，加熱流量約為59 m3/h，節(jié)約0.6 MPa的飽和蒸汽（2 756 kJ/kg）量約為19 376 t/a，相當于每年節(jié)約標準煤1 822 tce。0.6 MPa飽和蒸汽的單價為75元/t，則節(jié)約蒸汽費用為145.3萬元/a。

2）改造后的運行費用：循環(huán)水泵（備用）電耗為2.2萬元/a；壓縮空氣、控制電耗約2.5萬元/a；其他維護費用約2.6萬元/a。合計運行費用為7.3萬元/a。

因此，余熱回收利用年經(jīng)濟效益為138萬元。

同時，減少溫室氣體CO2排放量為3 972 t，減少酸雨氣體SO2的排放量為137 t，保護了環(huán)境，具有良好的社會效益。為了能更好地利用資源，保護環(huán)境，應進一步提高焙燒爐煙氣余熱的回收利用率。