铝电解槽低温烟气余热发电技术探讨.doc

精品论文大集合铝电解槽低温烟气余热发电技术探讨柯文 1，周乃君 1，王志奇 1,21 中南大学热能与动力工程，长沙（410083）2 湘潭大学机械工程学院，湘潭（410005）E-mail：kewen0725摘要：利用铝电解排放的低温烟气余热进行发电，对电解铝行业节能降耗具有重要的意义。 本文介绍了电解铝行业耗能和节能现状，对 ORC 发电系统进行了阐述和应用综述，系统分析了 ORC 系统在铝电解工业上应用所要解决的关键技术。结果表明，利用 ORC 发电技术对铝电解槽低温烟气系统进行余热回收，可有效降低吨铝能耗降，产生明显的社会经济效益， 值得深入研究和推广应用。关键词：铝电解槽；低温余热；低沸点工质；ORC 发电技术 中图分类号：1.引言节能降耗是铝电解工业提高效益、迎接挑战的根本出路。国家也制定了有关措施给予引 导，计划实现年度单位 GDP 能耗降低 4%。将电解槽产生的低温烟气余热整合到能源系统， 可以实现低品位能源的高效利用，给企业带来经济和环保双重效益。本文将对铝电解槽低温 烟气余热发电技术进行探讨。2. 电解铝行业耗能及节能2.1 电解铝行业能耗能现状2007 年，全球铝实际产量为 3825 万吨，我国去年电解铝产量达 1256 万吨。同 2006 年 相比，铝产量大增最主要是由于中国产量拉动，中国 2007 年产量同比增加 326.7 万吨，达31%，除去中国后全球产量增长 118 万吨，仅为 4.9%。中国已成为世界上最大的电解铝生 产国和消费国。在我国，电解铝已成为名副其实的高能耗行业。2007 年，我国电解铝行业 综合交流电耗全年平均水平为 14488 千瓦时/吨1，总耗电 1819.7 亿千瓦时，占全国电力消 费的 5%左右。而同年电解铝的总产值还不到全国 GDP 的 1%。同国外相比，我国电解铝厂 的生产成本一般比国外的高 2000 元/吨左右。2.2 电解铝行业的节能途径作为工业耗能大户，电解铝企业生产需要消耗大量的能源。节能减排是企业不可推卸的 经济责任和社会责任。目前国内、外针对电解铝行业，实现节能降耗的具体方法有两个大的 方面：(1)工艺节能。包括设计优化。目前已经开始引进和应用的新技术主要是：大面多点 进电和母线补偿；船形结构和小面加工；超浓相输送技术；计算机优化设计；槽型大型化； 电流强化等。工艺控制方面。随着电解生产管理水平的不断提高，对电解技术条件的控制 更加合理，例如电解质水平、铝水平、分子比、氧化铝浓度、槽温、效应系数、槽电压等的 控制值更加科学2以及基本实现准连续“按需下料”；动态仿真与神经网络技术：加强对槽况 的监测、预报等。中国铝业有限公司自主开发了“预焙铝电解槽三度寻优控制技术”，于 2007 年 4 月在中铝广西分公司进行产业化应用以来，电流效率提高 2%，平均电解温度下降 10， 吨铝电耗、阳极消耗和氟化铝消耗以及排入大气的有害气体都有显著下降3。导流槽的应- 7 -用。导流槽与传统预焙槽相比，主要是将阳极与阴极碳块做成斜坡状。该技术能够大幅度的降低极距，从而减小极间电压降。采用惰性阳极的新型铝电解槽，在各类技术经济指标方 面都将有明显提高。主要包括：(1)能耗降低 20%30%。(2)无碳耗、阳极气体为 O2，无温 室气体 CO2 和致癌物质 CFn。(3)成本降低 20%以上，生产稳定，不（或少）换极，无阳极 效应4。(2)余热利用。余热利用分热利用和动力利用两方面5。其中热利用是利用电解槽的烟气 余热来加热水，用作洗浴和取暖用。这种利用方式在国内某些铝厂得到了应用，但能量只是 品质上的降级使用，对资源的利用不够充分，实际上可以利用该余热源来加热中间介质，获 得高于大气压力的蒸汽，让它在透平机或者其它膨胀机里做功回收动力。所以采用 ORC 发 电技术对铝电解槽的低温余热源进行动力利用，具有更大的价值。2.3 电解槽低温余热动力回收潜力预焙阳极电解槽的槽型按容量可分为小(<100kA)，中(100150kA)，大(160290kA)， 特大(300400kA)、超大(400kA)等。虽然容量不同，但是在一般情况下，电解槽的烟气 系统结构基本相同。每台槽子的烟气分别通过槽体系本身的支烟管，引入布置在电解厂房外 墙的主烟道，再通过主烟道汇总进入地下烟道，然后送入除尘系统，最后由引风机排入烟囱 后排出。电解铝过程中产生的低温烟气，温度一般为100200，其带走的热量大致占整个 槽体系能量支出的15%30%，烟气基本不含硫化物，粉尘含量也较低，烟气流量比较大(以200kA槽型为例，大概每台槽的烟气流量为(6000 m 3 / h )。回收利用这部分余热能够开创电 解铝行业节能减排工作的新局面，而低温烟气余热发电技术是一种有效的节能途径。低温烟气余热发电现在普遍采用的是低沸点工质有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle， ORC)技术。ORC技术是采用在比较低的温度下能成为高压气体的低沸点物质(或者混合物)， 利用余热产生动力，可回收不同温度范围的低温余热。据初步估计，对于铝电解行业来说， 以200kA电解槽为例，采用低沸点工质发电技术，可以使吨铝能耗降低200300千瓦时/吨， 我国整个电解铝每年节能量将达50100亿度，相当于200400万吨标准煤。3. ORC 发电技术简介3.1 ORC发电系统组成及原理低沸点工质有机朗肯循环余热发电系统主要由汽轮机(或螺杆膨胀机)、发电机、冷凝器、 工质密封泵、高效换热器等组成。此系统的基本流程见下图1。该循环由4个过程组成：高压不饱和液体低沸点工质2进入换热器，吸收低温余热的热量 变成高温高压的过热蒸气3，过程3-2可视为等压吸热过程；工质蒸气被调节到适合汽轮机工 作的状态，之后进入汽轮机膨胀做功，进而推动发电机发电，变成低温低压的过热蒸气4， 过程3-4可视为绝热膨胀过程；工质在冷凝器中与冷却水换热凝结成饱和液体1，过程4-1可 视为等压放热过程；经工质密封泵升压变成高压不饱和液体2，再送给蒸发器，过程1-2可视 为绝热压缩过程，这样就完成了一个基本朗肯循环。余 热换热 3器 发电机2 余汽轮机 热4冷凝器 工质泵 13.2 ORC发电技术应用综述图 1 ORC 基本流程图Fig.2 Basic flow chart of ORCORC发电技术主要应用于工业余热、地热、海洋温差能、太阳能热电等。利用ORC发电技术循环回收工业余热，在国外已经成功应用并得到了不同程度的商业 化。美国MTI公司曾经建造了利用炼油厂余热(110)的ORC系统，该系统以R113为工质， 采用单级向心透平，输出功率约为1174kW6。以色列ORMAT公司于1999年在德国海德堡水 泥公司Lengfurt水泥厂建立了利用熟料冷却机低温废气(275)的余热电厂，装机1310kW， 热效率14%，发电自给率12%，目前运行良好，投产以来平均可用率98%7。日本也建造 了利用废热的ORC系统，取得了很好的经济和环保效益。目前我国在工业低温余热方面，利 用ORC发电技术的实例尚属空白。该技术仍处在理论研究和小型工业实验阶段，离商业化还 有一段很长的路要走。在地热应用方面。到目前为止，世界上约有32个国家先后建立了双工质地热发电站，总 容量已超过800万千瓦。70年代末，我国广东丰顺、湖南灰汤、江西宜春、辽宁熊岳及河北 怀来等先后利用6092的地下热水建立小型双工质地热电站。目前始建于1970年10月的我 国第1座实验性地热电站(广东丰顺)及湖南灰汤电站仍在运行8。在海洋温差能利用方面。1993年太平洋高技术研究国际中心(PICHTR)在夏威夷建成210kW开式循环系统，净输出4050kW。1994年日本佐贺大学建成新型闭式循环的9KW实 验设施并进行海水淡化方面的研究。我国八十年代末，广州能源所、台湾研究机构有人开始 了一些研究工作。天津大学机械工程学院热能工程系刘奕晴对海水温差能进行了理论研究， 得出朗肯循环效率为4.594%，系统内效率为1.2863%9。在太阳能热发电方面。20世纪50年代后期，以色列国家物理实验室设计制造了用于有机物朗肯循环的透平，其热源为平板集热器收集的低于100的太阳热能10。美国从80年代开 始建造的SEGS，其总发电量达到354MW，单系统的最大装机容量达到80MW，是世界上最 大的太阳能热电系统。研究成果表明，太阳能塔式热发电是最可能引起能源革命、实现大功 率发电、替代常规能源的最经济手段之一，将完全有可能给紧张的能源问题带来革命性的解 决方案，目前已经处于商业化应用前期和工业化初期。4. ORC 发电技术在铝电解工业上应用需要解决的问题ORC发电技术在铝电解工业上的应用目前还是处于空白，是一项具有开创性和挑战性的 工作，主要有以下几方面的问题需要解决。4.1 系统布局与配置铝电解车间一个工区一般有3050台槽。一套除尘系统一般负责80100台电解槽的烟 气除尘任务。为了更好的利用烟道排出的低温烟气余热，系统的发电规模一般以负责两个电 解工区60100台槽为最佳，也就是说在每套除尘系统附近设置一套ORC发电系统，这样不 仅节省投资成本，而且便于在同容量槽型上推广。4.2 低沸点工质的筛选低沸点工质的特性对整个发电系统有着巨大的影响。不同低沸点工质主要通过影响 ORC 循环特性来影响系统的效率。不同工质，热物性不同，使膨胀机的相对内效率，换热 器的换热特性及换热损失，在工质泵和水泵的选型上等方面都有较大的差别。在相同的蒸发 压力和冷凝压力下，焓降大、比热容小的工质，透平效率低。在朗肯循环效率差别不大的情 况下，透平效率太低影响整个系统的经济性。在 ORC 系统中，主张采用蒸发潜热较小的工 质，这主要是由于，蒸发潜热小的工质其在加热过程中等温蒸发过程较短，使得热源与工质 的温度配合程度较好，换热温差减小，从而使系统效率高些。到目前为止，基于 ORC 的发电系统，根据饱和蒸汽曲线的斜率( dT / ds )，工质可分为 三种：(1)斜率为负的湿流体，大多为低分子量工质，如水、氨，它们的等熵膨胀一般会产 生冷凝现象；(2)斜率为正的干流体，大多为高分子量流体，如 CFC-113 及苯等；(3)具有近 乎垂直的饱和蒸汽曲线的等熵流体，如 CFC-11、R134a 等11。干流体及等熵流体在饱和蒸 汽状态下，既可推动膨胀机做功，且不会使得状态点落到湿蒸汽区内，造成液滴侵蚀膨胀机 叶片的情形。因此，ORC 系统一般采用单级汽轮机。一般来说，干流体适于较高的工作温 度，等熵流体则在低温区中有较佳表现12。在 ORC 循环中常用的低沸点工质如下表 1。表 1 低温工质的热物性Tab.1 Thermophysical properties of low temperature fluids参数工质沸点/临界压力/MPa临界温度/R12327.703.67183.68R134a-26.104.06101.10HFC-245fa15.303.64154.20异丁烷-11.613.64134.70异戊烷27.803.33187.80表 1 列出的工质中，R123 在回收 200左右的低温废热时有很好的性能13。当废热的 温度在 150200时 HFC-245fa(1,1,1,3,3-五氟丙烷)的性能比 R123 好14。同时，在朗肯循环中 HFC-245fa 的热力效率要比 R123 和 R11 高15。R134a 和异丁烷的临界温度都不高，故 在 100200时，ORC 应用的单一工质主要考虑 HFC-245fa 和异戊烷。近年来，一些混合工质替代单一工质作为制冷剂使用。它们有着和单一工质的低沸点， 但从循环系统来看，它们有更好的物性和安全性能，在低温余热上混合工质目前还没有得到 应用。A. Borsukiewicz-Gozdur 提出使用含有 R227ea 的混合工质在 115低温时能够获得14.8%的循环效率，于单一工质差别不大，但是能够产生双倍多的发电量。能够产生更高的发电量主要是因为工质在循环中具有更高的流动速率16。混合工质应用于 ORC 发电技术值 得进一步研究。4.3 系统设备设计热力系统的主要设备包括膨胀机和高效换热器(蒸发器、冷凝器)。要使整个系统有较高 的循环效率，从而产生尽可能多的经济效益，就必须针对不同的发电规模和系统配置对膨胀 机和高效换热器进行设计与优化。4.3.1 膨胀机的设计 由于工质特性不同，通常需要对膨胀机进行特殊设计以提高做功效率，目前用于 ORC系统上主要有两类机械：螺杆机和汽轮机。在 ORC 发电系统中：螺杆机在正确设计下，小型机器理论上可以达到 70%75%的绝热效率，大型机如果提供合适的工质，可增加到 80%。 目前螺杆膨胀机主要用于地热发电上，20 世纪 80 年代初，在世界能源组织(IEA)的资助下， 美国水热电力公司设计、制造了 1MW 大型螺杆膨胀机组，并分别在新西兰、意大利和墨西 哥进行了机组的性能及可靠性实验，最高效率达 68%17。汽轮机主要有蒸汽轮机和燃气轮机两类，以水蒸汽为工质的朗肯循环发电普遍采用蒸汽 轮机。与以水蒸汽为工质的朗肯循环发电汽轮机相比，低沸点工质汽轮机由于工质的比容小， 工质流量小，导致汽轮机叶片的高度、排气管道及冷凝器中的管道尺寸较小，在工艺上有更 高的要求。为了提高汽轮机的相对内效率必须选择合适的工质，保证工质比容尽可能大些， 并选定合适的发电规模，设计出适于低沸点工质朗肯循环的非标膨胀机。4.3.2 高效换热器的设计 低沸点工质朗肯循环发电不能像传统扩容法那样方便地使用混合式蒸发器和冷凝器，大部分低沸点工质传热性能都比水差，所以需要相对较大的金属换热面积。换热器特别是蒸发器的效率也是影响系统整体效率的重要因素之一，因此蒸发器和冷凝器都需要采用强化传热 技术。蒸发器处在较低温度环境下工作，应防止低温腐蚀；蒸发器的工作环境含的大量的粉 尘，会造成受热面的积灰和磨损，因此要采用特殊的除灰和防磨措施。对于冷凝器而言，由 于内部工质压力较高，工质通常走管程。从工质角度考虑，可采用换热好的有机物工质，同 时尽量使工质的加热过程与热源温度变化过程相配合，从而减小换热温差。4.4 系统优化设计对ORC发电系统的优化设计主要包含两个方面：(1)从系统和装置的静态特性考虑，提 高包括蒸发器、透平等装置的性能。选用最适合于ORC系统的低沸点工质来改进透平的设计， 使透平效率达到最高6。(2)ORC系统的性能由于季节环境温度的差异，其性能有较大的差别， 特别是夏冬两季，系统的输出功偏离额定工况在30%以上。所以应根据各地的实际情况，合 理选择额定工况点，使系统四季均工作在额定工况点附近，有助于有效稳定的工作。文献8 提出了工质和余热温度及最佳蒸发温度的关系以及工质与余热流排出的最低温度的关系。如 果能使工质在蒸发时处于最佳蒸发温度，在排出时处于最低温度，那么系统的效率将会最大 化。4.5 对除尘系统的影响铝电解槽的烟气各槽分散排出，集中收尘排放，排烟温度通常在100200，烟气主要 成分是空气，含有氧化铝粉尘和氟化氢，但几乎不含硫，这是采用低沸点工质朗肯循环发电 的有利条件。目前国内部分铝厂采用风机变频节能技术，因此需要就烟气降温后对氧化铝输 送、氟的吸收效率、烟气净化系统阻力、功耗以及对风机工作特性等的影响进行充分研究。 这样可以确定自用电量，从而设计出最经济的系统总发电量。4.6 对系统密封性的要求低沸点工质有毒性或者易燃特性，故对系统的密封性要求较高。工质泄漏和排放不仅会 降低系统的运行效率，而且对环境有影响，因此在系统制造和安装时，需要有严格措施保障 系统的密封性。工质循环泵、汽轮机、换热器及管道都需要对其密封性进行考虑。5. 结论本文通过上述分析，得出如下结论：铝电解槽烟气余热量大面广，对其利用ORC发电技术进行动力回收具有较好的发展前 景，值得深入研究和开发利用。利用ORC发电技术回收铝电解槽烟气余热需要解决工质筛选、膨胀机设计、换热器设 计与优化及对收尘系统的影响等关键问题。可以预见，低沸点介质发电系统具有广阔的应用前景，不仅可以间接降低电解铝生产的 电耗，符合国家节能减排政策，是近期国家极为鼓励的研发方向，同时也是提高企业综合效 益的必然选择。参考文献1 杨进欣, 董学清. 我国电解铝行业2007年能耗下降 节电23亿千瓦时EB/OL. 2008, 4, 26.2 赵炜. 铝电解生产的节能与效果分析J. 电力需求侧管理, 2006, 5, 3(8):42-44.3 中国铝业公司. 中铝电解铝节能减排获新突破J. 有色设备, 2008, (1):27. 4 刘静梅. 惰性阳极铝电极槽研究D. 贵阳: 贵州大学, 2006.5 徐晓村. 纯低温余热发电的动力利用分析J. 能源工程, 2005, 5, 4:22-25.6 顾伟, 翁一武, 曹广益等. 低温热能发电的研究现状和发展趋势J. 热能动力工程, 2007, 3, 22(2):115-119.7 张红. 用低沸点工质的朗肯循环(ORC)方法回收低位工业余热J. 节能, 2004, 11:22-24.8 王建财. 低温余热发电模型的研究D. 哈尔病理工大学, 2003.9 刘奕晴. 混合式海洋温差能利用系统的理论研究D. 天津: 天津大学, 2004.10 AMNON EINAV. 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The results show that using ORC generation recovery waste heat of low-temperature gas of aluminum reduction cells can reduce tons of aluminums energy consumption, and produce significant socio-economic benefits, worth to study in depth and to spread for use.Keywords: Aluminum reduction cells; low-temperature waste heat; low boiling fluids; ORCgeneration technology作者简介：柯文，男，1982 年生，硕士研究生，主要研究方向是工业炉窑低温烟气低沸点 工质余热发电技术、工业节能体系评价与测试、热工过程优化。