氧化铝熟料烧成窑烟气余热利用技术分析

　　随着工业化、城镇化进程加快和消费结构持续升级，我国资源环境约束日趋强化，节能减排形势严峻，为确保《&十二五规划纲要》提出的节能减排约束性指标的实现，国务院于2011年印发了《十二五节能减排综合性工作方案》，明确要求加快节能减排技术开发和推广应用。

　　回收余热、降低能耗对我国实现节能减排发展战略具有重要的现实意义。冶金企业属于高耗能型企业，其能耗占全国能耗的10%左右，占工业部门能耗的15%左右，能源费用占企业生产总成本20%～30%。节能降耗已经成为冶金企业长期的战略任务。在各种工业炉窑的能量支出中，废气余热约占15%～35%,充分有效利用这部分余热可实现企业节约能源消耗，减少热能排放，降低企业成本。

　　1、氧化铝孰料烧成窑烟气现状分析

　　1.1 熟料烧成窑概况

　　中铝贵州分公司氧化铝厂现有5台熟料烧成窑，设计产量40t/h，采用拜耳-烧结联合法生产氧化铝。其中烧结法在烧结熟料的过程中要产生大量的含余热烟气，烟气中既含有CO2 、N2、O2等气体，还含有大量的水蒸气及窑灰。由烟气从窑中带走的窑灰被收集在烟气净化系统中，粗粒窑灰降落在烧结窑尾部的沉降室，而较细的窑灰被旋风除尘器和电收尘器捕集，最终窑尾烟气以200 ℃左右排入烟囱。

　　1.2 熟料烧成窑烟气参数测定

　　氧化铝厂熟料烧成窑烟气经过旋风除尘、电收尘后，烟温降低到200℃左右，最后经引风机引入烟囱排入大气中。虽然排烟温度不高，烟气热能的品位较低，但由于产生的烟气量巨大，造成较大程度的能量浪费。为了研究烟气的余热利用技术，设计余热利用方案提供基础数据，于2009年3月连续3天对4 #烧成窑烟气进行跟踪测试，得到烟气流量、成分、温度、含尘量、含水量等指标值。

　　2、熟料烧成窑烟气余热利用技术研究与应用

　　经过测定得知氧化铝熟料烧成窑尾气温度在200℃左右，属于低温烟气。目前我国冶金行业温度低于600℃的低温烟气余热占总烟气余热的22%，在如今有色冶金行业烟气的余热回收中，对于中低温烟气余热的回收利用一直是一个薄弱环节。

　　中铝贵州分公司借鉴国内外余热利用先进技术，结合自身氧化铝生产特点和烟气特性，应用软水热媒技术回收4#和5#烧成窑烟气余热，用于加热蒸发原液及氧化铝片区澡堂用热水。

　　2.1 烟气露点温度分析

　　由于烟气中水蒸气含量较高，且含有一定量SO2，在管壁温度低于烟气露点时，烟气中的SO2、SO3与凝结水结合形成弱酸或中强酸，对传热元件表面造成酸腐蚀，而且，凝结水与熟料粉尘会结合形成铝硅等矿物结疤，覆盖在换热元件的表面，增加热阻，影响传热，降低换热效率，严重时会使换热器失效。所以先对烟气露点温度进行计算，确定烟气可利用的温度，以防止烟气结露。

　　经计算得出，烟气中SO2含量为77×10- 6；SO3含量为1.5×10- 6；烟气露点温度为134℃。为了防止烟气结露对传热元件造成酸腐蚀，经研究确定本烟气余热利用温度梯度为将烟气温度由200℃左右利用至150℃。

　　2.2 烟气余热资源量分析

　　从测试数据看，烟气平均温度20 0℃，烟气的最低温度191℃，为了保险起见，烟气的计算温度取191℃。191℃的烟气比热容为1.439kJ/Nm3·℃；150℃的烟气比热容为：1.436 kJ/Nm3·℃。烟气温度由191℃降到150℃可回收热量：157848×(1.439×191-1.436×150)×0.9 =8.91×106kJ/h；8.91×106÷3600=2475 kW。

　　考虑应用软水热媒技术回收4 #和5#烧成窑烟气余热，利用其中的部分余热加热氧化铝片区澡堂用热水，大部分余热用于加热蒸发原液，节约蒸汽。

　　根据动力工程师手册，管道外表面温度15 0℃常年运行工况允许最大散热损失为116W/m2，热水输送管道采用Ф219×6，往返管道长度按1000m计算，则输送的散热损失为：3.14×0.219×1000×0.116=80kW。

　　考虑管道散热损失后，可有效回收的热量：2×2 475 -80=4870 kW。

　　全年可有效回收烟气热量：（按300d计算）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为标准煤：12.6×1010÷(7000×4187) =4307 tce/a ；

　　可有效回收的能量折算为1. 25MPa的饱和蒸汽（焓值2785kJ/kg）量：12.6×1010÷2785÷1000=45242t/a。

　　2.3 烟气余热利用流程

　　充分考虑烟气温度较低、烟气含硫量较高、烟气中含易与水反应结疤的粉尘量较高等特点，结合熟料烧成窑生产工艺，确定烟气余热利用方案为：在不改变原有系统工艺流程的基础上，于引风机出口与烟囱之间的水平烟道上增设径向夹套热管换热器，以软水作为热媒，控制软水入口温度，回收低温烟气显热，加热蒸发原液和氧化铝片区洗澡水，降低蒸汽消耗。为了防止烟道内积灰，将烟气先通过旋风除尘和电收尘，减少烟气含尘量，烟气含尘量降为平均浓度值约为247mg/m3；同时调整换热器内迎风面平均烟气流速为10.3m/s，实现换热器的自清灰和防磨损效果。

　　2.4 换热器系统工艺流程

　　换热器系统是实现余热利用的关键，将换热器系统设置为三个功能系统：烟气取热系统、水热媒循环系统、原液和洗澡水加热系统。烟气取热系统由径向夹套热管换热器、进出口烟温传感器、进出口烟气负压传感器组成；水热媒循环系统由循环热水泵、缓冲补水槽、管道、阀门、进出口水温传感器、进出口压力传感器、流量计等组成；原液和洗澡水加热系统由原液加热器、生活水增压泵、洗澡水循环输送泵、管道、阀门、进出口温度传感器、进出口压力传感器等组成。

　　2.4.1 烟气流程

　　引风机出口200℃左右的烟气进入径向夹套热管换热器与循环软水进行热交换，烟气放热后烟气温度降至150℃左右（露点以上），引入原烟囱排放。

　　2.4.2 水热媒流程

　　9 5℃左右软水首先经热水循环泵升压进入径向夹套热管换热器，与烟气进行热交换，软水获得热量温度升高到125℃，再进入原液换热器，将热量传给蒸发原液，原液温度升高到85℃左右进入原液槽备用，循环软水继续进入洗澡水加热器（原液加热器与洗澡水加热器串联），进一步将热量传给洗澡水，放热后温度降至95℃左右进入缓冲补水槽，然后经循环热水泵输送至径向夹套热管换热器与烟气进行热交换，如此循环。软水在系统中作为加热载体循环使用，其中的损耗将通过缓冲补水槽由蒸发回水补充。采用软水作热媒，可有效防止换热器的结垢，提高系统的运行效率，降低系统的运行费用。

　　2.4.3 原液流程

　　低温原液从一分解进入三蒸发原液槽的DN400母管旁通引入原液加热器，与水热媒换热升温后，通过原液泵输送至三蒸发原液槽或五蒸发原液槽。考虑到原液在加热器内结疤及生活水的结垢，须定期清除，原液和洗澡水加热器可考虑一备一用，且原液走管程，原液换热器设有除垢装置。

　　2.4.4 洗澡水流程

　　生活用水从生活用水母管经增压泵引入热水槽备用，通过热水槽上的液位计确定生活用水的引入量；热水槽中的备用冷水经洗澡水循环泵送入洗澡水加热器循环加热，当热水槽中的水温达到洗澡水需要的温度后，停止循环加热，此时洗澡水循环泵切换为洗澡水输送泵，向各澡堂输送热洗澡水。

　　3、熟料烧成窑烟气余热利用效果

　　3.1 年回收能量

　　（1）全年有效回收的能量折算为标准煤4299 tce/a。

　　（2）年新增功率、控制电源电耗能量：-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 经济效益

　　回收能量按标准蒸汽折算（蒸汽按1 2 0元/t计算）：45242×120÷10000=543万元/a；

　　运行设备电费：-1.38×106×0.6÷10000=-83万元/a；

　　考虑设备维护费用：14万元/a；

　　年经济效益：(543-83-14)×0.85=446×0.85=379万元/a（取有效系数为0.85）。

　　3.3 环境效益与社会效益

　　减少CO2排放量：4299×2.18=9372 t/a；

　　减少SO2的排放量：4299×0.0678=291 t/a。

　　4、结论

　　中铝贵州分公司积极开展熟料烧成窑烟气余热利用技术研究，探索出将氧化铝熟料烧成窑烟气余热用于加热蒸发原液热源及氧化铝片区澡堂用热水技术，2012年投入运行，3年来该系统运行稳定可靠，年利用烟气余热12.6×1010kJ/a，节约燃煤3741tce/a；创经济效益379万元/a，减少温室气体CO2排放量9372t/a，减少SO2的排放量291t/a，实现经济效益、环境效益、社会效益协调发展。烟气余热回收不仅节约能源、保护环境，且为公司“十二五”节能减排目标的实现做出积极贡献，对铝工业企业实施节能减排起到借鉴和参考作用。