氧化鋁熟料燒成窯煙氣余熱利用技術(shù)研究與應(yīng)用

文 // 李桂賢 貴州理工學(xué)院 鄧邦慶 任劍 中國(guó)鋁業(yè)貴州分公司 桑杰 中電投遵義產(chǎn)業(yè)公司

隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快和消費(fèi)結(jié)構(gòu)持續(xù)升級(jí)，我國(guó)資源環(huán)境約束日趨強(qiáng)化，節(jié)能減排形勢(shì)嚴(yán)峻，為確?！丁笆濉币?guī)劃綱要》提出的節(jié)能減排約束性指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，國(guó)務(wù)院于2011年印發(fā)了《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》,明確要求加快節(jié)能減排技術(shù)開發(fā)和推廣應(yīng)用。

回收余熱、降低能耗對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排發(fā)展戰(zhàn)略具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。冶金企業(yè)屬于高耗能型企業(yè),其能耗占全國(guó)能耗的10%左右,占工業(yè)部門能耗的15%左右,能源費(fèi)用占企業(yè)生產(chǎn)總成本20%～30%。節(jié)能降耗已經(jīng)成為冶金企業(yè)長(zhǎng)期的戰(zhàn)略任務(wù)。在各種工業(yè)爐窯的能量支出中,廢氣余熱約占15%～35%,充分有效利用這部分余熱可實(shí)現(xiàn)企業(yè)節(jié)約能源消耗，減少熱能排放，降低企業(yè)成本。

1 氧化鋁孰料燒成窯煙氣現(xiàn)狀分析

1.1 熟料燒成窯概況

中鋁貴州分公司氧化鋁廠現(xiàn)有5臺(tái)熟料燒成窯，設(shè)計(jì)產(chǎn)量40t/h，采用拜耳-燒結(jié)聯(lián)合法生產(chǎn)氧化鋁。其中燒結(jié)法在燒結(jié)熟料的過(guò)程中要產(chǎn)生大量的含余熱煙氣，煙氣中既含有CO2 、N2、O2等氣體，還含有大量的水蒸氣及窯灰。由煙氣從窯中帶走的窯灰被收集在煙氣凈化系統(tǒng)中，粗粒窯灰降落在燒結(jié)窯尾部的沉降室，而較細(xì)的窯灰被旋風(fēng)除塵器和電收塵器捕集，最終窯尾煙氣以200 ℃左右排入煙囪。

1.2 熟料燒成窯煙氣參數(shù)測(cè)定

氧化鋁廠熟料燒成窯煙氣經(jīng)過(guò)旋風(fēng)除塵、電收塵后，煙溫降低到200℃左右，最后經(jīng)引風(fēng)機(jī)引入煙囪排入大氣中。雖然排煙溫度不高，煙氣熱能的品位較低，但由于產(chǎn)生的煙氣量巨大，造成較大程度的能量浪費(fèi)。

為了研究煙氣的余熱利用技術(shù)，設(shè)計(jì)余熱利用方案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，于2009年3月連續(xù)3天對(duì)4#燒成窯煙氣進(jìn)行跟蹤測(cè)試，得到煙氣流量、成分、溫度、含塵量、含水量等指標(biāo)值。

表1 熟料燒成窯煙氣參數(shù)測(cè)定表

2 熟料燒成窯煙氣余熱利用技術(shù)研究與應(yīng)用

經(jīng)過(guò)測(cè)定得知氧化鋁熟料燒成窯尾氣溫度在200℃左右，屬于低溫?zé)煔?。目前我?guó)冶金行業(yè)溫度低于600℃的低溫?zé)煔庥酂嵴伎偀煔庥酂岬?2%，在如今有色冶金行業(yè)煙氣的余熱回收中，對(duì)于中低溫?zé)煔庥酂岬幕厥绽靡恢笔且粋€(gè)薄弱環(huán)節(jié)。

中鋁貴州分公司借鑒國(guó)內(nèi)外余熱利用先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合自身氧化鋁生產(chǎn)特點(diǎn)和煙氣特性，應(yīng)用軟水熱媒技術(shù)回收4#和5#燒成窯煙氣余熱，用于加熱蒸發(fā)原液及氧化鋁片區(qū)澡堂用熱水。

2.1 煙氣露點(diǎn)溫度分析

由于煙氣中水蒸氣含量較高，且含有一定量SO2，在管壁溫度低于煙氣露點(diǎn)時(shí)，煙氣中的SO2、SO3與凝結(jié)水結(jié)合形成弱酸或中強(qiáng)酸，對(duì)傳熱元件表面造成酸腐蝕，而且，凝結(jié)水與熟料粉塵會(huì)結(jié)合形成鋁硅等礦物結(jié)疤，覆蓋在換熱元件的表面，增加熱阻，影響傳熱，降低換熱效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使換熱器失效。所以先對(duì)煙氣露點(diǎn)溫度進(jìn)行計(jì)算，確定煙氣可利用的溫度，以防止煙氣結(jié)露。

經(jīng)計(jì)算得出，煙氣中SO2含量為77×10-6；SO3含量為1.5×10-6；煙氣露點(diǎn)溫度為134℃。為了防止煙氣結(jié)露對(duì)傳熱元件造成酸腐蝕，經(jīng)研究確定本煙氣余熱利用溫度梯度為將煙氣溫度由200℃左右利用至150℃。

2.2 煙氣余熱資源量分析

從測(cè)試數(shù)據(jù)看，煙氣平均溫度200℃，煙氣的最低溫度191℃，為了保險(xiǎn)起見，煙氣的計(jì)算溫度取191℃。

191℃的煙氣比熱容為1.439kJ/Nm3·℃；150℃的煙氣比熱容為：1.436 kJ/Nm3·℃。

煙氣溫度由191℃降到150℃可回收熱量：

157848× (1.439×191-1.436×150)×0.9=8.91×106 kJ/h；

8.91×106÷3600=2475 kW。

考慮應(yīng)用軟水熱媒技術(shù)回收4#和5#燒成窯煙氣余熱，利用其中的部分余熱加熱氧化鋁片區(qū)澡堂用熱水，大部分余熱用于加熱蒸發(fā)原液，節(jié)約蒸汽。

根據(jù)動(dòng)力工程師手冊(cè)，管道外表面溫度150℃常年運(yùn)行工況允許最大散熱損失為116W/m2，熱水輸送管道采用Ф219×6，往返管道長(zhǎng)度按1000m計(jì)算，則輸送的散熱損失為：3.14×0.219×1000×0.116=80kW。

考慮管道散熱損失后，可有效回收的熱量：2×2475-80=4870 kW。

全年可有效回收煙氣熱量：（按300d計(jì)算）

4870×3600×24×300=12.6×1010kJ/a；

4870×24×300=3.5×107 kW。

可有效回收的能量折算為標(biāo)準(zhǔn)煤：

12.6×1010÷(7000×4187) =4307 tce/a ；

可有效回收的能量折算為1.25MPa的飽和蒸汽（焓值2785kJ/kg）量：

12.6×1010÷2785÷1000=45242t/a。

2.3 煙氣余熱利用流程

充分考慮煙氣溫度較低、煙氣含硫量較高、煙氣中含易與水反應(yīng)結(jié)疤的粉塵量較高等特點(diǎn)，結(jié)合熟料燒成窯生產(chǎn)工藝，確定煙氣余熱利用方案為：在不改變?cè)邢到y(tǒng)工藝流程的基礎(chǔ)上，于引風(fēng)機(jī)出口與煙囪之間的水平煙道上增設(shè)徑向夾套熱管換熱器，以軟水作為熱媒，控制軟水入口溫度，回收低溫?zé)煔怙@熱，加熱蒸發(fā)原液和氧化鋁片區(qū)洗澡水，降低蒸汽消耗。為了防止煙道內(nèi)積灰，將煙氣先通過(guò)旋風(fēng)除塵和電收塵，減少煙氣含塵量，煙氣含塵量降為平均濃度值約為247mg/m3；同時(shí)調(diào)整換熱器內(nèi)迎風(fēng)面平均煙氣流速為10.3m/s，實(shí)現(xiàn)換熱器的自清灰和防磨損效果。

2.4 換熱器系統(tǒng)工藝流程

換熱器系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)余熱利用的關(guān)鍵，將換熱器系統(tǒng)設(shè)置為三個(gè)功能系統(tǒng)：煙氣取熱系統(tǒng)、水熱媒循環(huán)系統(tǒng)、原液和洗澡水加熱系統(tǒng)。煙氣取熱系統(tǒng)由徑向夾套熱管換熱器、進(jìn)出口煙溫傳感器、進(jìn)出口煙氣負(fù)壓傳感器組成；水熱媒循環(huán)系統(tǒng)由循環(huán)熱水泵、緩沖補(bǔ)水槽、管道、閥門、進(jìn)出口水溫傳感器、進(jìn)出口壓力傳感器、流量計(jì)等組成；原液和洗澡水加熱系統(tǒng)由原液加熱器、生活水增壓泵、洗澡水循環(huán)輸送泵、管道、閥門、進(jìn)出口溫度傳感器、進(jìn)出口壓力傳感器等組成。

2.4.1 煙氣流程

引風(fēng)機(jī)出口200℃左右的煙氣進(jìn)入徑向夾套熱管換熱器與循環(huán)軟水進(jìn)行熱交換，煙氣放熱后煙氣溫度降至150℃左右（露點(diǎn)以上），引入原煙囪排放。

2.4.2 水熱媒流程

95℃左右軟水首先經(jīng)熱水循環(huán)泵升壓進(jìn)入徑向夾套熱管換熱器，與煙氣進(jìn)行熱交換，軟水獲得熱量溫度升高到125℃，再進(jìn)入原液換熱器，將熱量傳給蒸發(fā)原液，原液溫度升高到85℃左右進(jìn)入原液槽備用，循環(huán)軟水繼續(xù)進(jìn)入洗澡水加熱器（原液加熱器與洗澡水加熱器串聯(lián)），進(jìn)一步將熱量傳給洗澡水，放熱后溫度降至95℃左右進(jìn)入緩沖補(bǔ)水槽，然后經(jīng)循環(huán)熱水泵輸送至徑向夾套熱管換熱器與煙氣進(jìn)行熱交換，如此循環(huán)。

軟水在系統(tǒng)中作為加熱載體循環(huán)使用，其中的損耗將通過(guò)緩沖補(bǔ)水槽由蒸發(fā)回水補(bǔ)充。

采用軟水作熱媒，可有效防止換熱器的結(jié)垢，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。

2.4.3 原液流程

低溫原液從一分解進(jìn)入三蒸發(fā)原液槽的DN400母管旁通引入原液加熱器，與水熱媒換熱升溫后，通過(guò)原液泵輸送至三蒸發(fā)原液槽或五蒸發(fā)原液槽?？紤]到原液在加熱器內(nèi)結(jié)疤及生活水的結(jié)垢，須定期清除，原液和洗澡水加熱器可考慮一備一用，且原液走管程，原液換熱器設(shè)有除垢裝置。

2.4.4 洗澡水流程

生活用水從生活用水母管經(jīng)增壓泵引入熱水槽備用，通過(guò)熱水槽上的液位計(jì)確定生活用水的引入量；熱水槽中的備用冷水經(jīng)洗澡水循環(huán)泵送入洗澡水加熱器循環(huán)加熱，當(dāng)熱水槽中的水溫達(dá)到洗澡水需要的溫度后，停止循環(huán)加熱，此時(shí)洗澡水循環(huán)泵切換為洗澡水輸送泵，向各澡堂輸送熱洗澡水。

3 熟料燒成窯煙氣余熱利用效果

3.1 年回收能量

（1）全年有效回收的能量折算為標(biāo)準(zhǔn)煤4299 tce/a。

（2）年新增功率、控制電源電耗能量：

-1×（55+45+11+4+2×37+2）×24×300=-1.38×106kWh；

-1.38×106×3600=-4.97×109kJ/a；

-1.38×106×0.404÷1000=-558tce/a。

（3）扣除消耗回收的能量：4299-558=3741tce/a。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

回收能量按標(biāo)準(zhǔn)蒸汽折算（蒸汽按120元/t計(jì)算）：45242×120÷10000=543萬(wàn)元/a；

運(yùn)行設(shè)備電費(fèi)：-1.38×106×0.6÷10000=-83萬(wàn)元/a；考慮設(shè)備維護(hù)費(fèi)用：14萬(wàn)元/a；

年經(jīng)濟(jì)效益：(543-83-14)×0.85=446×0.85=379萬(wàn)元/a（取有效系數(shù)為0.85）。

3.3 環(huán)境效益與社會(huì)效益

減少CO2排放量：4299×2.18=9372 t/a；

減少SO2的排放量：4299×0.0678=291 t/a。

4 結(jié)論

中鋁貴州分公司積極開展熟料燒成窯煙氣余熱利用技術(shù)研究，探索出將氧化鋁熟料燒成窯煙氣余熱用于加熱蒸發(fā)原液熱源及氧化鋁片區(qū)澡堂用熱水技術(shù)，2012年投入運(yùn)行，3年來(lái)該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，年利用煙氣余熱12.6×1010kJ/a，節(jié)約燃煤3741tce/a；創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益379萬(wàn)元/a，減少溫室氣體CO2排放量9372t/a，減少SO2的排放量291t/a，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益、社會(huì)效益協(xié)調(diào)發(fā)展。煙氣余熱回收不僅節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境，且為公司“十二五”節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)做出積極貢獻(xiàn)，對(duì)鋁工業(yè)企業(yè)實(shí)施節(jié)能減排起到借鑒和參考作用。