低溫余熱用技術在鋁業(yè)的應用及基模型的建立摘要煙氣是指溫度低于200℃的氣業(yè)相關生產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)學模型后的工程設計中，應根據不同的工程情況選擇合理的方案后文對余熱利用系統(tǒng)對原工藝的積極與消極影響進行了分析與討論。關鍵詞：低溫余熱鋁業(yè)工藝有機朗肯循環(huán)余熱利用效率1.概述在工業(yè)生產中，使用著各種窯爐，如回轉窯、加熱爐、轉爐、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計的主體工藝在實際生產運行中也是能源消耗的大戶2008年我國電解鋁行業(yè)綜合交流電耗的平均水平為4335千瓦時/噸，總耗電量達1889.3億千瓦時，占全國電力消耗總量的5%左右。對于鋁行業(yè)而言，炭素工藝煅燒煙氣溫度達1000℃左右，通常在窯尾設置余熱蒸汽鍋爐和余熱熱媒鍋爐備蒸汽用于發(fā)電以及制備高溫熱媒油用于炭素工藝的生產，經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，該工藝技術已廣泛應用。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、燃氣、煤等含硫成分相對較高的物質排煙煙氣成分中硫份和水份含量相對較大在保證爐窯熱效率的同時又不可以無限制的降低排煙溫度通常排煙溫度設定值高于煙氣酸露點溫度10℃，因此，這些工藝子項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200℃，為保證電解煙氣凈化設備的穩(wěn)定運行，電解槽至煙氣凈化設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行相對穩(wěn)定煙氣露點溫度也相對較低因此此部分余熱熱能若可合理回收利用將對降低電解鋁工藝能耗起到積極可觀的作用同時煙氣溫度的降低也將提高凈化設備濾料的使用壽命。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

根據不同地區(qū)不同的項目規(guī)模選擇不同的低溫煙氣余熱利用方案具體方案有如下三種：1）供熱與冷。低溫煙氣的余熱通過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回水的預熱。但其存在季節(jié)局限性，當非采暖季時，余熱系統(tǒng)將停止工作，煙氣通過旁通煙道進入凈化系統(tǒng)，排入大氣。為使得余熱系統(tǒng)可以全年連續(xù)運行，將供熱系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)相結合，并且二者可以進行合理切換利用低溫煙氣余熱熱量作為熱源實現(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的耗電支出。2）動力輸。低溫煙氣的余熱通過熱水保證有機朗肯循環(huán)的進行，以實現(xiàn)動力輸出。利用低溫煙氣余熱制備相應溫度的熱水，熱水作為有機朗肯循環(huán)的高溫熱源，有機工質膨脹做功以實現(xiàn)動力輸出，在煙氣溫度不變的情況下，煙氣量越大，產生的熱水也就越多，相應有機朗肯循環(huán)所輸出的功也就越多，當相關技術（如工藝、熱力循環(huán)、控制等）滿足一定條件時，可實現(xiàn)煙氣與風機運行的自調節(jié)。該動力輸出裝置可作為原有排煙風機的輔助風機，減少風機的耗電。3）余熱發(fā)。主要是基于有機工質朗肯循環(huán)為基礎，進行發(fā)電。利用電溫煙氣余熱制備相應溫度的熱水，熱水作為有機朗肯循環(huán)的高溫熱源，有機工質膨脹做功，通過渦輪機帶動發(fā)電機發(fā)電，實現(xiàn)余熱發(fā)電的目的。3.低溫煙氣余熱利用模型的建立3.1過概低溫煙氣余熱利用主要經歷三個過程第一個過程為能量傳遞過程主要是通過換熱器實現(xiàn)煙氣與傳遞工質之間的熱量轉換；第二個過程為能量轉換過程，主要是將傳遞工質回收的低品位熱能轉換為更高等級的能三個過程為能的輸出過程，主要是通過相關設備實現(xiàn)能的輸出。3.2煙溫的定為防止煙氣中酸氣成分所產生的低溫腐蝕氣的低溫溫度設定值應高于酸氣的露點溫度，工程中通常要求至少高于酸露點溫度10℃，即煙氣溫度的下限2

SS值的設定應t℃，式為酸露點溫度。D在鋁行業(yè)煙氣中酸氣成分主要是指SO，HF的露點溫度在工況下低2于50SO的露點溫度計算公式如（）所示：計算公式如式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體積分數(shù)，rSOrSO

—煙氣中的體積分數(shù)，—煙氣中SO的體積分數(shù)，%2—轉化的轉化系數(shù)，根據不同的情況其數(shù)值在2之間變化3.3產量算根據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：計算未考慮熱量損失。由式（2）可看出，回收熱量若轉換稱相應溫度的熱水，產水量為：Vt)mY(t)SS2S13.4熱水換設的力算換

（3）根據式（3）對熱水量的估算，設定熱水量數(shù)值m，假設換熱器出口煙氣溫度t℃，進行熱平衡核算。即：3

QQ

（4）t

'Y2

Cm(t)SSS2S1CtYY

（5）由（5求得煙氣換熱后溫度的計算t'若Y

t

t

'

則假定t

2合理。否則，重新設t，進行計算。Y2換換熱面積計算值：

Q

（6）式中：F——換熱面積，㎡；—對數(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——小管內徑，

（10

——小管外徑，m——小管壁厚，m根據煙氣管道的實際情況，確定與煙氣管道垂直方向小管數(shù)b，再求得沿煙氣流動方向的小管數(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煙溫對工的響煙

(273)N

（12式中：V——標態(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，即換熱器對煙氣產的阻力，Pa；

——煙氣密度，kg/m；——煙氣流速，——煙氣溫度補正系數(shù)；t

——氣體體積膨脹系數(shù)，1/273；t——煙氣平均溫度，。其中：溫度補正系根據下式計算而得：t

t

)it273

（14式中ttt分別為煙氣的進、出及平均溫度，℃。io

3

Re

6

時，換熱器管群阻力系

按下式計算：5

d1'2d

0.53，

h

2.8(

（15d1'd

2.5時，

h

Z

S'2Sd1

Re

0.25

（16式中：S，S——管群中管道中心距，；

——管群中管道對角中心距，；——沿煙氣流動方向管群的總排數(shù)。3.5風電計主排風機電機功率根據式(17)求得：HNY9.81

K

（17）式中：N

——風機電動機功率，kWH——風機風壓，

——風機在全壓頭時的效率（按照風機樣本或風機特征曲線查得）

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

QM

HJAL

（18）6

FF式中：Q——噸鋁耗電量，H

——主排煙風機年耗電量，M

——原鋁年產量，噸鋁噸鋁利用余熱回收裝置發(fā)電或省電量計算如下所示：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設置綜合式（18）和式（）得

（19）QH

F

（20）式中：

——設置余熱回收系統(tǒng)后實際噸鋁耗電量，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煙氣所釋放出的熱量中被有效利用的熱量占總熱量的比例，如下式所示：3600XQ

(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)回收的熱量作為動力輸出或發(fā)電，其對應的功率也可表示為：7

X

Qn

（23）式中：

——第n階段能量轉換的轉換效率，包含了機械傳輸、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換的效率的乘積。4.建議綜上所述，低溫煙氣余熱利用節(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生的附加耗電量之間的比較進行分析在煙氣溫度、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，將會使得煙氣中酸氣結露而造成設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溫度之上溫煙氣溫度的設定應綜合考慮煙氣中各成分的含量而定因此酸露點溫度的高低制約著煙氣余熱回收熱量的大小。當在排煙煙道中設置余熱回收裝置后實現(xiàn)回收余熱并加以利用的同時對原工藝的有利影響還在于：（1）隨著煙氣溫度降低，煙氣的體積會減小，對應風機的風量降低。（2）煙氣凈化工段的濾袋過濾風速和溫度降低，可以將濾料的材質要求降低，或者在現(xiàn)有的濾袋材質下，濾袋的壽命會延長。對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）余熱回收裝置對原有工藝系統(tǒng)附加的煙氣阻力。以目前的換熱器設計制造水平可以使得系統(tǒng)阻力降低至合理范圍并實現(xiàn)對低溫煙氣余熱的回收在鋁行業(yè)煙氣余熱利用方面今后的研究重點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)各能量轉換階段的轉換效率一方面即為減少余熱回收系統(tǒng)能量轉換環(huán)節(jié)的個數(shù)在工程設計中應根據不同地區(qū)或不同情況去論證8

低溫煙氣余熱回收項目是否可行并制定相應的余熱利用方案最終實現(xiàn)企業(yè)的節(jié)能減排，實現(xiàn)經濟利益與社會效益的雙豐收。參考文獻[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，王學斌，惠世恩，徐通我國余熱利用現(xiàn)狀與技術進[J].工鍋爐，2009（[3]《有色冶金