氧化鋁熟料燒成窯煙氣余熱利用技術研究與應用

文 // 李桂賢 貴州理工學院 鄧邦慶 任劍 中國鋁業貴州分公司 桑杰 中電投遵義產業公司

隨著工業化、城鎮化進程加快和消費結構持續升級，我國資源環境約束日趨強化，節能減排形勢嚴峻，為確保《“十二五”規劃綱要》提出的節能減排約束性指標的實現，國務院于2011年印發了《“十二五”節能減排綜合性工作方案》,明確要求加快節能減排技術開發和推廣應用。

回收余熱、降低能耗對我國實現節能減排發展戰略具有重要的現實意義。冶金企業屬于高耗能型企業,其能耗占全國能耗的10%左右,占工業部門能耗的15%左右,能源費用占企業生產總成本20%～30%。節能降耗已經成為冶金企業長期的戰略任務。在各種工業爐窯的能量支出中,廢氣余熱約占15%～35%,充分有效利用這部分余熱可實現企業節約能源消耗，減少熱能排放，降低企業成本。

1 氧化鋁孰料燒成窯煙氣現狀分析

1.1 熟料燒成窯概況

中鋁貴州分公司氧化鋁廠現有5臺熟料燒成窯，設計產量40t/h，采用拜耳-燒結聯合法生產氧化鋁。其中燒結法在燒結熟料的過程中要產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中，粗粒窯灰降落在燒結窯尾部的沉降室，而較細的窯灰被旋風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測定

氧化鋁廠熟料燒成窯煙氣經過旋風除塵、電收塵后，煙溫降低到200℃左右，最后經引風機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，但由于產生的煙氣量巨大，造成較大程度的能量浪費。

為了研究煙氣的余熱利用技術，設計余熱利用方案提供基礎數據，于2009年3月連續3天對4#燒成窯煙氣進行跟蹤測試，得到煙氣流量、成分、溫度、含塵量、含水量等指標值。

表1 熟料燒成窯煙氣參數測定表

2 熟料燒成窯煙氣余熱利用技術研究與應用

經過測定得知氧化鋁熟料燒成窯尾氣溫度在200℃左右，屬于低溫煙氣。目前我國冶金行業溫度低于600℃的低溫煙氣余熱占總煙氣余熱的22%，在如今有色冶金行業煙氣的余熱回收中，對于中低溫煙氣余熱的回收利用一直是一個薄弱環節。

中鋁貴州分公司借鑒國內外余熱利用先進技術，結合自身氧化鋁生產特點和煙氣特性，應用軟水熱媒技術回收4#和5#燒成窯煙氣余熱，用于加熱蒸發原液及氧化鋁片區澡堂用熱水。

2.1 煙氣露點溫度分析

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時，煙氣中的SO2、SO3與凝結水結合形成弱酸或中強酸，對傳熱元件表面造成酸腐蝕，而且，凝結水與熟料粉塵會結合形成鋁硅等礦物結疤，覆蓋在換熱元件的表面，增加熱阻，影響傳熱，降低換熱效率，嚴重時會使換熱器失效。所以先對煙氣露點溫度進行計算，確定煙氣可利用的溫度，以防止煙氣結露。

經計算得出，煙氣中SO2含量為77×10-6；SO3含量為1.5×10-6；煙氣露點溫度為134℃。為了防止煙氣結露對傳熱元件造成酸腐蝕，經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

從測試數據看，煙氣平均溫度200℃，煙氣的最低溫度191℃，為了保險起見，煙氣的計算溫度取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。

考慮應用軟水熱媒技術回收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澡堂用熱水，大部分余熱用于加熱蒸發原液，節約蒸汽。

根據動力工程師手冊，管道外表面溫度150℃常年運行工況允許最大散熱損失為116W/m2，熱水輸送管道采用Ф219×6，往返管道長度按1000m計算，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準煤：

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結疤的粉塵量較高等特點，結合熟料燒成窯生產工藝，確定煙氣余熱利用方案為：在不改變原有系統工藝流程的基礎上，于引風機出口與煙囪之間的水平煙道上增設徑向夾套熱管換熱器，以軟水作為熱媒，控制軟水入口溫度，回收低溫煙氣顯熱，加熱蒸發原液和氧化鋁片區洗澡水，降低蒸汽消耗。為了防止煙道內積灰，將煙氣先通過旋風除塵和電收塵，減少煙氣含塵量，煙氣含塵量降為平均濃度值約為247mg/m3；同時調整換熱器內迎風面平均煙氣流速為10.3m/s，實現換熱器的自清灰和防磨損效果。

2.4 換熱器系統工藝流程

換熱器系統是實現余熱利用的關鍵，將換熱器系統設置為三個功能系統：煙氣取熱系統、水熱媒循環系統、原液和洗澡水加熱系統。煙氣取熱系統由徑向夾套熱管換熱器、進出口煙溫傳感器、進出口煙氣負壓傳感器組成；水熱媒循環系統由循環熱水泵、緩沖補水槽、管道、閥門、進出口水溫傳感器、進出口壓力傳感器、流量計等組成；原液和洗澡水加熱系統由原液加熱器、生活水增壓泵、洗澡水循環輸送泵、管道、閥門、進出口溫度傳感器、進出口壓力傳感器等組成。

2.4.1 煙氣流程

引風機出口200℃左右的煙氣進入徑向夾套熱管換熱器與循環軟水進行熱交換，煙氣放熱后煙氣溫度降至150℃左右（露點以上），引入原煙囪排放。

2.4.2 水熱媒流程

95℃左右軟水首先經熱水循環泵升壓進入徑向夾套熱管換熱器，與煙氣進行熱交換，軟水獲得熱量溫度升高到125℃，再進入原液換熱器，將熱量傳給蒸發原液，原液溫度升高到85℃左右進入原液槽備用，循環軟水繼續進入洗澡水加熱器（原液加熱器與洗澡水加熱器串聯），進一步將熱量傳給洗澡水，放熱后溫度降至95℃左右進入緩沖補水槽，然后經循環熱水泵輸送至徑向夾套熱管換熱器與煙氣進行熱交換，如此循環。

軟水在系統中作為加熱載體循環使用，其中的損耗將通過緩沖補水槽由蒸發回水補充。

采用軟水作熱媒，可有效防止換熱器的結垢，提高系統的運行效率，降低系統的運行費用。

2.4.3 原液流程

低溫原液從一分解進入三蒸發原液槽的DN400母管旁通引入原液加熱器，與水熱媒換熱升溫后，通過原液泵輸送至三蒸發原液槽或五蒸發原液槽。考慮到原液在加熱器內結疤及生活水的結垢，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增壓泵引入熱水槽備用，通過熱水槽上的液位計確定生活用水的引入量；熱水槽中的備用冷水經洗澡水循環泵送入洗澡水加熱器循環加熱，當熱水槽中的水溫達到洗澡水需要的溫度后，停止循環加熱，此時洗澡水循環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準煤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 經濟效益

回收能量按標準蒸汽折算（蒸汽按120元/t計算）：45242×120÷10000=543萬元/a；

運行設備電費：-1.38×106×0.6÷10000=-83萬元/a；考慮設備維護費用：14萬元/a；

年經濟效益：(543-83-14)×0.85=446×0.85=379萬元/a（取有效系數為0.85）。

3.3 環境效益與社會效益

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研究，探索出將氧化鋁熟料燒成窯煙氣余熱用于加熱蒸發原液熱源及氧化鋁片區澡堂用熱水技術，2012年投入運行，3年來該系統運行穩定可靠，年利用煙氣余熱12.6×1010kJ/a，節約燃煤3741tce/a；創經濟效益379萬元/a，減少溫室氣體CO2排放量9372t/a，減少SO2的排放量291t/a，實現經濟效益、環境效益、社會效益協調發展。煙氣余熱回收不僅節約能源、保護環境，且為公司“十二五”節能減排目標的實現做出積極貢獻，對鋁工業企業實施節能減排起到借鑒和參考作用。