氧化铝焙烧炉烟气余热利用探讨

毕有才，徐 浩

（山西兆丰铝业氧化铝分公司，山西 阳泉045000）

1 烟气余热资源分析

目前，气态悬浮焙烧炉的使用中普遍存在着热量利用率低下、排放烟气余热温度过高等问题。山西兆丰铝业氧化铝分公司有1台1 350 t/d氧化铝气态悬浮焙烧装置，焙烧炉主要热支出状况为：产品氧化铝从焙烧炉带走显热比例约为10.53%，湿烟气带走热量比例约59.79%。其中干烟气带走的热量比例为10.76%，烟气中水蒸气带走热比例高达为47.03%。排出湿烟气的标态流量达10.6万m3/h，烟气温度约156℃，烟气含水约40%。烟气余热具有很大的利用价值，特别是烟气中水蒸汽潜热的利用。在不能改变生产工艺状况的前提下，只要将烟气和焙烧炉排料氧化铝里的热量回收再投入生产中应用，也能达到节能的目的。

因此，考虑将烟气温度降至105℃左右，回收烟气显热，用于加热平盘洗水。105℃至156℃烟气的平均定压比热容为1.428 kJ/（m3·K），烟气温度由156℃降到105℃可回收的热量为7.41×106kJ/h；可加热温差为30℃的水量为59 t/h；可回收烟气显热为5.34×1010kJ/a；回收的能量折合标煤为1 822 tce/a；回收的能量折算为0.6 MPa的饱和蒸汽（焓值2 756 kJ/kg）量为19 376 t/a；回收能量按蒸汽价格折算达145.3万元/a人民币（蒸汽按75元/t计算）。

2 热管式换热器余热回收装置

利用热管式换热器的余热回收装置能将烟气中的高品位余热进行回收，可使悬浮焙烧炉热利用效率提高8%～10%。它是把传统焙烧炉排出的烟气，用于加热平盘洗水，实现节能，这个装置的使用对悬浮焙烧炉热利用效率的提高具有实际意义。

2.1 热交换系统工艺流程

热交换系统包括径向夹套热管换热器、给水预热器、混水器、流程回路和温度调节控制系统。

温度约为65℃的蒸发回水（给水）从总管经加压泵、止回阀、气动阀、管路、阀门进入给水预热器，吸收从径向夹套热管换热器中流出的温度约为125℃的高温水的热量进行预热，经过预热后温度约为95℃的水经阀门进入径向夹套热管换热器。为了保证进入径向夹套热管换热器的水温度在95℃左右，通过安装在阀门前的温度传感器，控制调节安装在通往预热器给水管路上的气动调节阀来调整冷水流量，从而调整流向径向夹套热管换热器的水温。经径向夹套热管换热器与烟气换热后的125℃的高温水，经过预热器与给水热交换后温度降到95℃，经过阀门、流量计送用户终端（热水槽或平盘洗水）。

温度调节系统由数显温度传感器TC、可编程控制器、调节阀及连接导线组成。流程回路、换热器进口处的流体温度通过数显温度传感器、可编程控制器作用于调节阀，实现冷流体流量的实时调节，使换热器最低壁温处于烟气露点温度之上。气动阀设有旁通阀，正常情况下，旁通阀处于关闭状态，当气动阀出现故障时，可通过关闭气动阀前后两个阀门，同时打开旁通阀实现手动控制。此外，流程中还设置了排空放气阀和排污阀，用于系统停运后排泄管道内残留的介质。

2.2 换热器结构特点

烟气竖直方向流过热管，与热管管束的外表面（包括翅片）进行热交换后，热管内的工质被汽化，汽化后的工质在冷凝段与夹套中的给水进行热交换，工质冷凝放热后重新成为液体。这样循环继续上述过程，使烟气热量源源不断地加热给水。由于热管内汽、液两相处于饱和平衡状态，因此热管管壁具有良好的等温性，可以避免局部“冷区”。热管的温度由工质、管束的布置结构及烟气和给水的状态共同决定，只要进行合理的设计就能使热管管束的管壁温度保持在烟气露点之上，从而避免露点腐蚀发生，提高设备的使用寿命，保证生产正常进行。

2.3 旁通烟道的改造

将原有系统烟道改装成2个旁通管，1个旁通接换热器，另一旁通起备用调节作用。整个系统需增设1个烟道阀。根据生产要求，调节旁通阀的开度可任意调节通过换热器的烟气流量，改变通过换热器系统的烟气流动阻力，以免影响正常生产。

2.4 系统阻力计算

整个烟气余热回收系统的阻力为沿程阻力和各弯头、阀门与截面突变位置局部阻力及热交换设备阻力之和。经计算，沿程阻力为19 Pa；局部阻力为43 Pa；热交换器阻力为380 Pa。系统总阻力为上述3项阻力之和为442 Pa。

2.5 余热回收装置的特点

1）水热媒工艺。以软水作为热媒，回收低温烟气显热。通过对软水预热或控制软水入口温度，提高与烟气接触的换热器表面温度，防止水蒸汽含量高的低温烟气结露，从而防止露点腐蚀。

2）低温烟气换热设备。该烟气换热器采用的是专门针对含硫低温烟气余热资源设计的径向夹套热管换热器，热管夹套内充装能提高壁温防止露点腐蚀的无机混合工质，热管采用专用的耐硫酸露点腐蚀的ND钢。径向热管能更有效地控制壁面温度。由于冷流体与热流体间有径向夹套，存在一定的温度梯度，且热侧的面积远远大于冷侧的面积，所以能更好地提高壁面温度。径向热管具有很高的等温性能。径向热管环隙内的饱和蒸汽压力取决于饱和温度，外管表面温度基本相等。不凝性气体对其影响极小，其传热性能相对较好。高导热性，径向热管靠工质的汽、液相变传热热阻小。基管采用相同材质的径向热管。

3）低阻力内部结构。换热器管束采用正方形顺排，降低了烟气流速，达到降低烟气阻力的目的，烟气侧阻力＜420 Pa。

4）防低温露点腐蚀材质。换热管采用专用的耐硫酸露点腐蚀的ND钢，为了进一步有效防止换热器的露点腐蚀，通过增加给预热器提高进入换热器的冷水温度，即可起到提高换热器的壁温，避免露点腐蚀的效果。

5）多点空气激波吹灰。以压缩空气为工作介质产生冲击波除灰，利用激波、声波、高速气流多重作用吹灰。综合了声波吹灰器、燃气激波吹灰器的吹灰优点，吹灰效果更好，使用更安全。

6）PLC控制系统。设置由数显温度传感器TC、可编程控制器、调节阀及数据线组成的温度调节系统，确保在工艺流程中温度始终能够在符合工艺要求的范围内，确保生产稳定。

3 控制系统及控制方案

根据工艺要求，为确保余热回收利用系统安全稳定运行，采用上位工控机+西门子S7-300 PLC的控制方式。即主要参数采用进口仪表控制，如压力、温度、流量等，PLC通过MPI网络与上位工控机通讯。在上位机上，可监视换热系统的过程数据及设备的运行状况，并对PLC和仪表发出指令。

泵电机的运行反馈、过载信号、启动信号，电动阀、电磁阀的开、关等电气控制信号进入PLC系统。

1）换热器出水温度控制。换热器出水温度设定值为125℃。通过温度传感器测量换热器出水温度信号进PLC模块与PLC人机界面。温度测量值与设定值进行比较：测量值大于设定值时，调节模块发出指令，调节电动阀开度增加，使冷流体的流量增加，换热器出水温度下降，直至与设定值相等；温度测量值小于设定值时，调节模块发出指令，调节电动阀开度减少，使冷流体进换热器的流量减少，换热器出水温度升高，直至与设定值相等。

2）泵起动控制。泵电机功率7.5 kW，人机界面上设泵起动、运行控制模块。

3）吹灰控制。设定值：每1 h吹灰1次，30电磁阀顺序动作，每个电磁阀动作5 s，间隔10 s。设定值可调。通过PLC调节PID，控制吹灰器的开关元件，实现电磁阀动作。

4）人机界面。显示各测点流量、压力、温度等。人机界面上设两个调节画面，分别为换热器出口温度调节（分别设为手动/自动）和吹灰脉冲调节画面。通过菜单设置吹灰器、换热器、调节、泵运行、历史记录、故障报警等画面。

4 改造要求

1）安装热管余热换热器系统1套，包括除灰系统、烟气和热水温度调节系统、烟温检测系统。2）控制系统具有远程控制能力，提供接入主控室DCS的信号输入模块实现自动控制，即设定一个输出温度值，系统能够通过自动调节水量、水速等相关参数来实现温度的控制，也能够进行手动控制。3）换热器阻力＜500 Pa，以保证焙烧炉和原ID风机稳定运行。4）焙烧炉的排烟温度下降到105℃。5）加热温差为30℃的洗水流量达到55 m3/h以上。

5 经济效益分析

从2008年投产，兆丰铝业氧化铝分公司通过安装换热设备对焙烧炉烟气余热进行回收，加热用于平盘过滤机的洗水，取代原来用蒸汽来加热平盘过滤洗涤用水。2012年技改完成后，项目取得圆满成功，获得了显著的经济效益和社会效益。

1）节约加热平盘洗水用蒸汽费用。使用回收的热量加热洗水，蒸发来水温度约为65℃，经余热系统加热后至用户温度约为95℃，加热流量约为59 m3/h，节约0.6 MPa的饱和蒸汽（2 756 kJ/kg）量约为19 376 t/a，相当于每年节约标准煤1 822 tce。0.6 MPa饱和蒸汽的单价为75元/t，则节约蒸汽费用为145.3万元/a。

2）改造后的运行费用：循环水泵（备用）电耗为2.2万元/a；压缩空气、控制电耗约2.5万元/a；其他维护费用约2.6万元/a。合计运行费用为7.3万元/a。

因此，余热回收利用年经济效益为138万元。

同时，减少温室气体CO2排放量为3 972 t，减少酸雨气体SO2的排放量为137 t，保护了环境，具有良好的社会效益。为了能更好地利用资源，保护环境，应进一步提高焙烧炉烟气余热的回收利用率。