CN101539036A - 基于有机朗肯循环的铝电解槽烟气余热发电装置 - Google Patents

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王志奇
柯文
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Abstract

本发明公开了一种基于有机朗肯循环的铝电解槽烟气余热发电装置。它包括低沸点工质汽轮机、三相发电机、蒸发器、工质循环泵、冷凝器、水泵、冷却塔，所述蒸发器安装于电解厂房出口总烟管内，蒸发器的进口端与工质循环泵的高压出口端相接，蒸发器的出口端经管道后与汽轮机的上部法兰接口相连，低沸点工质汽轮机的下部接口通过管道与冷凝器的进气口相连，冷凝器的液相出口通过管道与工质循环泵的低压进口端相连，低沸点工质汽轮机与三相发电机相连，冷凝器的一个端部法兰接口与水泵相接，冷凝器的另一个端部接冷却塔，冷却塔与水泵相接，构成一个回路。本发明实现了铝电解槽低烟气余热的充分利用，并减少了环境的热污染。

Description

基于有机朗肯循环的铝电解槽烟气余热发电装置
技术领域
本发明涉及一种基于有机朗肯循环的铝电解槽烟气余热发电装置。
背景技术
电解铝由霍尔-埃鲁特电解法生产，电解铝生产是耗电大户，吨铝电耗通常在14～16MWh/t-Al。目前世界电解铝产量约为35Mt，总电耗约525GWh/年；我国电解铝产能已接近20Mt，电能消耗约300GWh/年。铝电解槽在电解过程中排出的烟气温度通常在100～200℃之间，排烟量通常在70000～100000m3/t-Al(标态)。这部分烟气在电解过程中带走的热量，约占整个槽体系能量支出的20％～35％，属于低温烟气余热，其热能折合成电能约有130GWh/年(全世界电解铝)。在现行电解铝厂，这种低温烟气都是经过分区集中收尘后直接排入大气，不仅浪费了能源，也污染环境。
朗肯循环是广泛应用于热力发电的一种工艺技术，循环由工质定压吸热-膨胀做功-定压冷凝-等熵压缩四个热力过程构成，常用的工质为水及水蒸汽，因水的沸点较高，故系统的工作温度也较高。有机朗肯循环采用沸点较低的有机工质实现热能到电能的转换。因采用沸点较低的有机工质，从而可以实现工质从温度较低的热源吸热而做功发电。
目前，有机朗肯循环发电技术已在海水温差发电、地热发电、太阳能热发电、生物质能发电以及工业中的中温废气余热的利用方面进行了研究开发。但对低于150℃的低温烟气余热发电技术还不成熟，还没有关于有机朗肯循环发电技术应用于低温烟气余热动力回收的报道，将该技术应用于铝电解槽的低温烟气余热发电方面尚属空白。
发明内容
为了解决现有铝电解槽的低温烟气余热回收存在的技术问题，本发明提供一种基于有机朗肯循环的铝电解槽烟气余热发电装置。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：包括低沸点工质汽轮机、三相发电机、蒸发器、工质循环泵、冷凝器、水泵、冷却塔，所述蒸发器安装于电解厂房出口总烟管内，蒸发器的进口端与工质循环泵的高压出口端相接，蒸发器的出口端经管道后与汽轮机的上部法兰接口相连，低沸点工质汽轮机的下部接口通过管道与冷凝器的进气口相连，冷凝器的液相出口通过管道与工质循环泵的低压进口端相连，低沸点工质汽轮机与三相发电机相连，冷凝器的一个端部法兰接口与水泵相接，冷凝器的另一个端部接冷却塔，冷却塔与水泵相接，构成一个回路。
本发明的技术效果在于：本发明将原来作为废热排出的铝电解槽所产生的低温烟气的热能转化为高品位电能，在厂区内部利用，从而降低电解铝生产的综合能耗，同时可降低烟气的排放温度，减少热污染，达到节能环保生产的目的，因而可以提高企业的经济效益和社会效益；本发明可实现设备的成套化，有利于对现有电解铝生产系统进行改造；通过选用不同的有机工质，系统装置也可适用于其它低温余热的动力回收。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
现以目前常用的200kA系列铝电解槽为例予以说明。此类铝电解槽每台烟气产量约为6000m3/h，一般50台铝电解槽排出的烟气经由烟管汇总后共用一个净化系统，进入净化系统前的烟气温度约120℃。因此，一个净化系统所处理的低温烟气量为3×105m3/h。
如图1所示，本发明由低沸点工质汽轮机1、三相发电机2、蒸发器3、工质循环泵4、冷凝器5、水泵6、冷却塔7构成。对于工质循环系统，蒸发器3布置在电解厂房出口总烟管或烟道内，蒸发器3的进口端与工质循环泵4的高压出口端相接，蒸发器3的出口端接管道后与低沸点工质汽轮机1的上部接口相连，低沸点低沸点工质汽轮机1的下部接口通过管道与冷凝器5的进气端相连，冷凝器5的液相出口端则通过管道与密封工质循环泵4的低压进口端相连。对于冷却水系统，冷凝器5的一个端部法兰接口与水泵6相接，另一个端部接冷却塔7，冷却塔7与水泵6相接，构成一个回路。
本发明的工作过程：低沸点工质通过工质循环泵4驱动，先在安装于电解厂房外的汇总烟管或烟道内的余热换热器(蒸发器)3中吸收烟气余热载体的热量，变成饱和(或过热)蒸汽，通过调压阀后，工质蒸汽在膨胀机1内膨胀做功，并带动发电机2发电；本发明中的膨胀机采用低沸点工质汽轮机。从低沸点工质汽轮机1排出的工质蒸汽由管壳式冷凝器5冷凝为饱和液体，再由工质循环泵4将工质液体加压后送入余热换热器3中，开始新一轮的循环。系统发出的电能为三相交流电，额定电压为380V，可经过调压后并入厂内电网，或直接送给用电设备使用。
本发明采用R134a为循环工质，用水来冷却膨胀做功后的R134a工质。采用本发明回收上述实施例所列铝电解槽的低温烟气余热时的主要工艺参数范围：低沸点工质汽轮机的内效率为0.7，进入低沸点工质汽轮机的工质压力为2.8MPa，膨胀做功后的工质压力为0.9MPa时，系统输出电功率为400kW(额定电压380V)；朗肯循环效率为14％，扣除系统本身电能消耗后的系统循环效率为12％；系统排出的烟气温度为60℃；烟气系统增加流动阻力100Pa。
采用本发明对现有烟气净化系统实施改造时，厂房布置、净化除尘系统、AL2O3输送系统、现有的管路布置及排烟系统等均可维持不变，仅需要对原有的总烟管部分进行改造以安装余热换热器，并对管道进行保温处理。整个系统布置紧凑，结构简单，运行效率高。
本发明的余热载体为铝电解槽生产过程中产生的低温烟气，但也可以推广到其他工业装置所产生的低温烟气、液相介质如各种物质的蒸汽、热空气、热水等，不适宜与可流动的粉末状固相介质，如水泥熟料、铸造砂等；可采用的工质为各种低沸点的有机物，如氟利昂类、烷烃类工质，而不适宜于用水作为循环工质；根据系统运行时的具体环境，可采用空气或水来冷却膨胀后的有机工质。
本发明根据铝电解槽排出烟气的特点及现行电解铝厂烟气收尘系统的特点，提出一种基于有机朗肯循环的铝电解槽烟气余热发电装置，可提高铝电解生产能量利用效率，降低铝电解综合能耗和单位生产成本，并减少对环境的热污染。

Claims (3)

1、一种基于有机朗肯循环的铝电解槽烟气余热发电装置，其特征在于：包括低沸点工质汽轮机、三相发电机、蒸发器、工质循环泵、冷凝器、水泵、冷却塔，所述蒸发器安装于电解厂房出口总烟管内，蒸发器的进口端与工质循环泵的高压出口端相接，蒸发器的出口端经管道后与汽轮机的上部法兰接口相连，低沸点工质汽轮机的下部接口通过管道与冷凝器的进气口相连，冷凝器的液相出口通过管道与工质循环泵的低压进口端相连，低沸点工质汽轮机与三相发电机相连，冷凝器的一个端部法兰接口与水泵相接，冷凝器的另一个端部接冷却塔，冷却塔与水泵相接，构成一个回路。
2、根据权利要求1所述的基于有机朗肯循环的铝电解槽烟气余热发电装置，其特征在于：采用R134a为循环有机工质。
3、根据权利要求1所述的基于有机朗肯循环的铝电解槽烟气余热发电装置，其特征在于：所述低沸点工质汽轮机的内效率为0.7，低沸点工质汽轮机的工质压力为2.8MPa，膨胀做功后的工质压力为0.9MPa。
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