CN101031673B - 用于热量回收的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于从自工业过程中，例如用于生产铝的电解过程，除去的废气中回收热量的方法和装置。热量通过抽出/吸取系统回收，其中废气包括灰尘和/或颗粒。当废气与热量回收部件接触时，热量被回收。热量回收部件的流动条件和结构使得在表面上的灰尘和/或颗粒的沉积物保持在稳定的受限制的水平。在优选的实施例中，热量回收部件具有圆形的或者延长的椭圆形截面并且可以装配有翅片或者肋。

Description

用于热量回收的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于从制炼厂产生的废气中回收热量的方法和装置，例如来自用于铝生产的电解装置的原气体。这种废气，在其被净化之前，包含在热量回收设备上形成沉积物的灰尘和/或颗粒，并且因此降低的热量回收效率达到不希望的低水平。 
背景技术
不同的工业过程产生废气，其能够被颗粒、灰尘和在能量回收装置中引起污染的其它物质所污染。这种污染将意味着效率的降低，并且需要广泛的维护，例如暴露于气流的表面的净化。因此，在气体已经净化之后，能量回收单元设置在气体净化装置的下游。关于能量回收的优选，有益的是设置回收单元尽可能接近工业过程，其中在废气中的含能量处于其最大值。这意味着能量回收单元必须设置在气体净化装置的上游，因为这些装置经常相对于工业过程远距离地定位。 
US4339249公开了一种用于从包含灰尘的废气中回收热能的换热器。该换热器被构造成回收大量夹杂在废气中的灰尘，并包含废气通过的中空管道，其包含一个接一个设置的第一和第二管束以及在两者之间的灰尘收集表面。在废气中的热量被传送到经过两个管束的水中并且灰尘沉积灰尘收集表面。在管束中的管被设置成蛇行构造，第一管束由设置成从在灰尘收集表面上游的包含灰尘的气体中去除热量的光滑表面管构成。这样，当气体到达翅片管束时，在上述公开中陈述在翅片之间的狭窄空间没有发生沉积。由该陈述可以知道包含灰尘的气体应当在第一冷却步骤中处理，并接着在其进入包括凸缘管的第二翅片管束之前的分离步骤中处理。 
例如，从铝电解反应堆中产生的废气在相对低温水平包含大量的能量。这些能量当前仅仅利用到较小的程度，但是其能够用于加热目 的、加工目的和电力生产，如果用于热量回收的技术和经济上可接受的解决办法被确立。在加热的流体中实现的温度水平对回收热能的值和有效性是决定性的。因此，应该在尽可能高的废气温度下从废气中吸取热量。产生包含灰尘/颗粒的大量废气体积的工业过程的其它例子为：通常具有300摄氏度和更高的温度的包含灰尘的废气运行的亚铁，合金-和其它的冶炼厂工业，以及通常运行在300摄氏度和更低温度下的废物焚化(即节约器和空气预热部分)中的低温部分。 
从电解反应堆中产生的废气利用风扇通过吸取系统传送，并且风扇的能量消耗取决于废气的体积流量和在系统中的压降。能量消耗能够通过这些量的减少而被减少。冷却废气将有助于体积流量和压降的 减小，从而造成风扇功率的减小。压降最大的减小可通过尽可能接近铝电解槽冷却废气来实现。 
当改进或者增大工业过程时，例如相对于在铝电解装置中的给定槽设计增加电流(安培)，原气体温度和因此在上层结构的内部的压力将增加，因为在电解槽顶部的上面具有更多的热量。这能够导致槽击穿，即出现在内部的压力程度与槽的外部的压力程度相同。通过这种击穿，排出到生产车间的过程气体将增加。 
此问题能够以三个方法进行解决： 
-在槽顶部增强封装，其实际上是困难的。 
-通过安装更高容量的风扇来增加吸力。为了避免在原气体通道中的大的压降，同样必须增加尺寸。气体净化装置将不得不重新设计以避免在气体净化过程中减小的效率或者过载的部件。关于投资和操作成本两者而言，总体上这种解决方案是昂贵的。 
-和热量回收一起的风扇上游的原气体的冷却；解决方法将减少在通路系统和气体净化装置中原气体的体积流量和压降。从而吸力能够被增加，而不需要改变通道和气体净化装置的尺寸。 
发明内容
本发明根据最后提到技术的解决方法进行利用，其将是最经济性的，因为从原气体去除的热量能够利用在其他的过程或者应用中。 
过程说明 
该过程在此通过用于铝生产的设备进行示例，并且其特征在于包含低温能量(通常大约120摄氏度到140摄氏度，但是能够增加达到大约200摄氏度)的大量废气(约为每铝电解槽5000Nm3/h)，其中该低温能量从铝电解槽中抽出/吸取。废气包含诸如颗粒和气体组分的污染物，这些污染物必须在废气可以排出之前在净化过程中从废气中除去。 
废气的能量含量能够在热交换器(热量回收系统)中回收，其中废气散发热量(被冷却)到另一个适于所讨论的应用中的流体中。一般地，热量回收系统能够设置在：
-净化过程的上游-在此热量回收系统必须与包含颗粒的气体一起运行 
-净化过程的下游-其中在气体中被污染的组分和颗粒已经被去除。 
因为现在可利用的净化过程必须运行在低温水平，所以能量回收实际上仅对于其中热量回收系统设置在净化过程的上游的选择方案是相关的。这意味着实际上热量回收系统必须能够采用包含颗粒的热气体进行运行。 
因为惯性、扩散和电泳现象，在废气中的颗粒和微量组分将沉积在热量回收系统的传热面上，并且形成减少热传递的绝热层。在没有足够的控制的情况下，热量回收系统的效率(热量回收水平)将是不可接受地低，并且压降(以及泵送废气通过的相关作用)将较大。沉积涂层的厚度能够利用主动的或者被动的技术进行控制。 
主动的技术意味着沉积物借助于机械的清扫、液压的或者气动的冲洗/洗涤、撞击或者脉冲扫除、或者相当的方法来完全或部分地去除。 
被动的技术意味着没有外部设备或者装置的形成来控制颗粒沉积物。而是借助于过程参数，例如废气的速率来控制和限制微粒沉积物。 
本发明包括用于限制在热量回收系统中沉积物的被动的技术。 
除了从废气中回收热量的热量回收系统之外，对此有必要使得通过热量回收系统的废气的压降不能过大。风扇用来驱动废气通过该系统，供给到风扇的能量大约与压降和体积流量成比例。因此，对热量回收系统进行设计，使得压降尽可能低是重要的。 
体积流量的降低产生用于风扇的较低功率消耗形式的增益，该风扇驱动废气通过该系统。较小的体积流量能够通过下列实现， 
i.在风扇之前降低废气温度 
ii.减少从电解槽中抽取的废气量。 
减少体积流量还减小了在系统的其他部分中的压降。 
减少从电解槽中抽出/吸取的体积通常是不可能的，因为其将意味着在它们的壳体中增加压力。增加的压力将进一步使得槽更易容易被 击穿，从而导致逸出到工作环境中的气体和灰尘的增加。 
减少抽取废气的量通常将引起电解槽以外气体温度的增加(其减少了由于减少的废气量获得的增益)，除非废气在风扇之前被冷却。在系统中的压降取决于气体速度，其能够通过减小气体温度被减小。提出解决方案引起了用于风扇的功率消耗的净减小，就是因为废气被冷却。此外，从废气中回收的热量作为用于不同加热和加工目的的过程热量是可利用的。 
对于新的设备，提出的解决方案将意味着在包括其运输通道的气体净化装置中可以采用更小的尺寸，因为传送的废气体积将被减少。 
需要(但不是必要的)具有相对紧凑的热量回收系统，也就是说其具有最小的体积。这可以减少占地面积和成本。 
目的 
本发明的目的在于在气体净化过程上游处设置的一个或者多个热量回收系统中，通过利用被动技术以将在热回收表面上的涂层沉积物保持在控制之下，从工业过程，特别是铝电解槽中产生的包含灰尘/颗粒的废气中回收热量，并且以实现稳定运行。 
通过从用于铝生产的电解设备中冷却原气体，有可能将在槽的壳体内部的气体压力保持在充分低的水平，以避免流出到大气中的气体和灰尘增加。 
这些以及其他的优点能够通过本发明实现，其限定在所附的权利要求中。 
附图说明
本发明将利用例子和附图在下面进一步详细的描述，其中： 
图1示出采用椭圆的，翅片管的测试结果， 
图2示出了6.5MW热功率的，120摄氏度的到热量回收系统的入口温度的热交换器体积的计算。废气流量：440,000Nm3/h，到风扇的入口温度：80摄氏度。用于3000Pa的热量回收系统中的允许压降的结果被示出， 
图3示出了6.5MW热功率的，180摄氏度的到热量回收系统的入 口温度的热交换器体积的计算。气体流量：176,000Nm3/h，到风扇的入口温度：80摄氏度。对于4000Pa的热量回收系统中的允许压降的结果被示出， 
图4示出了采用椭圆的，翅片管的热量回收系统实施例的试验设备。 
具体实施方式
热量回收系统的描述 
热量回收系统可由一个或多个中空部件组成，例如具有圆形的或者椭圆/卵形的横截面的管，在管的外面安装有或者没有翅片，见图4。该管由已经在镀锌过程中处理的碳素钢组成。其它的材料还可对这些应用是相关的，例如铝。与颗粒/灰尘接触的管的外表面还可根据相关的表面处理技术进行处理，以产生增加的滑动(slip)效应。相关的滑动涂层还可以包括在这种处理技术中。 
废气在管的外面流动并且垂直于管的轴向。这些管以常规模式包装，调节中心管距从而使得质量流量(每单元流动横断面的质量流量)和废气的动量保持在一个水平，在该水平下在传热表面上的颗粒沉积和颗粒的去除之间的平衡被实现。热量回收系统通过侧壁被包围，并且因此形成废气流动通过的通道。对在管内部流动的冷却剂没有特殊的要求。例如，冷却剂可以由流体/蒸汽或者诸如水/蒸汽或者空气的气体组成。 
为了在颗粒沉积和颗粒去除之间实现平衡，必须存在废气的一定的最小质量流量和动量。该阈值是几何特定和过程特定的。试验被实施以确定在小型试验机构中的一些具体的几何结构(36毫米的圆形截面管，具有72毫米环形翅片的36毫米圆形截面管，具有矩形翅片的14x36毫米椭圆管)的阈值。在试验中，从铝生产中产生的真实的废气被使用，其中颗粒浓度和颗粒分布对于这些过程是典型的。 
在传热面上的净颗粒/灰尘沉积物通过将颗粒/灰尘传送到表面上，附着在表面和从所述的表面的夹带/除去来进行控制。在气体中颗粒的浓度以及对流、扩散和对于小颗粒的电泳现象影响到表面的传送， 同时动量作用力和惯性力对于较大的颗粒来说是更加主要的。到表面上的粘附被范德华(van der Waal)粘合力，毛细管力，电泳现象和重力的效果影响。从表面夹带/除去颗粒/灰尘受到在流动中的剪切力、由撞击表面的较大的颗粒所引起的磨碎和冲撞，连同重力作用力一起的影响。在颗粒沉积物和颗粒夹带/除去之间的平衡通过下面事实进行实现，该事实是导致颗粒的夹带/除去的机理被增大到可平衡沉积机理的水平。对于一个给定系统而言，这些机理能够通过特征气体速度进行表示，借此不同的速度将给出相应的污染层净厚度。所述层将隔绝热传递。这些特征气体速度基本上能够通过理论计算确定，但是实际上将通过试验和测量确定，因为该问题的复杂性。优选速度是一个速度，该速度对于给定的系统在稳定情况下提供由污染导致的热传递的可接受的减少，而不会导致过高的压降。在实施的试验中，可接受的原气体速度测得为大约12米/秒或者更高。 
在该试验中废气温度大约为130摄氏度，并且管壁温度大约为70摄氏度。试验结果的例子在图1(采用矩形翅片的椭圆管)中示出，其中由于沉积层的传热热阻(污垢系数)作为时间的函数被示出，对于不同的自由流气体质量流量。稳定状态(污垢系数不变化)一般在大约11-13m/s(相当于大约9.5-11kg/m2s)的气体速度下运行50-500小时之后实现。[对于在图1所示的试验中，在大约400小时的运行之后大约11m/s(10kg/m2s)的气体速度处发生稳定状态。] 
在稳定条件下的热传递的减少通过相对于净化的传热面适度增加热传递面，一般为25-40％，进行补偿。同时，通过热量回收系统的废气的压降保持在可接受的水平。这些目标通过管/翅片结构、管填料和流动条件的结合来实现。 
用于从120摄氏度和180摄氏度的废气中回收6.5MW热量的设定热量回收系统尺寸的例子在图2和图3中示出。这些例子是基于给定的压降关系式，并且在热量回收系统中假定的总压降相当于回收的能量的10％，各自为5％的风扇中的能量需求。在这些例子中，只有具有在大约11-13m/s(9.5-11kg/m2s)之上的废气速度的设计将实现 稳定状态。其它的设计随着时间的过去将产生不可接受的大量沉积物。如附图中示出，只有椭圆的翅片管将允许在具体的压降下实现稳定状态的足够高的速度。 
在废气的质量流量以及动量和稳定的涂层热阻之间的关系(污垢系数)是废气温度和成分加上颗粒浓度和分布的函数。同时，压降是管和翅片几何结构，管填料，废气温度和速度以及总热量传递面积的函数。因此表示的关系至今为止不是通用的。热量回收系统是否能够在稳定的涂层情况和可接受的压降下运行取决于过程(温度范围，颗粒特征，对于热量回收系统热效率的要求等等)然而，这些得到的关系认为对于从基于预焙电极技术的铝生产中废气的热量回收的应用中是通常的。 
尽管本发明已经基于预焙技术进行定义，本发明的原理还可被应用于采用所谓的Sφderberg技术的系统，以及其它的工业过程，例如硅铁合金冶炼工业和废物焚化。 
在例子中，具有圆形的和卵形的(椭圆的)横截面部分的管已经提及。然而，在其它的实施例中，可能采用具外部的几何结构的管进行运行，其中管已经相对于颗粒沉积、热传递和压降进行优化。例如，管的横截面大体上可设计为翼型截面。 
而且，静电或者其它的相似的方法还可用来抵制在热量回收表面上的沉积物生成。 
进一步的技术设计调整能够基于热量从中回收的废气的特征进行实施。例如这能够包括使用在回收装置或者它的表面处理中使用的材料的选择，特别相对于从湿的或者腐蚀性气体中回收热量。 
关于回收装置的几何结构的进一步的设计调整，在其表面上的废气速度，和其它的流动相关的问题能够基于被处理的废气的具体特征，诸如气体速度和温度，进行实施。在废气中的灰尘/颗粒的密度和尺寸还相关于热回收装置的结构具有重要性。

Claims (13)

1.一种用于从通过抽出/吸取系统自工业过程中去除的废气中回收热量的方法，其中废气包含灰尘和/或颗粒，通过废气与一个或多个热回收部件的外表面接触来回收热量，其特征在于，所述热回收部件相根据废气的参数被设计成使得在所述表面上的灰尘和/或颗粒的沉积物保持在稳定的受限制的水平，其中，废气的流动速度高于10m/s并小于25m/s，并且废气的温度为120摄氏度到600摄氏度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述工业过程是用于生产铝的电解过程。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于废气的速度是12m/s。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于废气是来自一个或多个电解槽的原气体。
5.一种用于从通过抽出/吸取系统或等效物自工业过程中去除的包含灰尘和/或颗粒的废气中回收热量的装置，其中该装置包括至少一个中空部件，该中空部件被设计成允许热回收介质流过其中，所述中空部件大体上被设置成使得部件的主纵向横过废气的主流向，其特征在于，所述中空部件根据废气的参数被进一步设计成使得由灰尘和/或颗粒引起的沉积物保持在受限制的稳定的水平，其中所述抽出/吸取系统设计成使得废气的流动速度高于10m/s并小于25m/s，并且废气的温度为120摄氏度到600摄氏度。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于所述中空部件被设计成具有大体圆形的截面。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于所述中空部件被设计成具有大体延长的椭圆形截面，其中所述截面的纵轴线与废气的主流向大体一致。
8.如权利要求5所述的装置，其特征在于所述中空部件被装配有用于改进热量回收的肋或者翅片。
9.如权利要求5所述的装置，其特征在于热回收介质是水。
10.如权利要求5所述的装置，其特征在于热回收介质是蒸汽。
11.如权利要求5所述的装置，其特征在于热回收介质是空气。
12.如权利要求5所述的装置，其特征在于所述中空部件由镀锌碳素钢制成。
13.如权利要求5所述的装置，其特征在于至少一个中空部件被壁包围，所述壁形成用于与抽出/吸取系统耦合/结合成一体的通道部分。
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