CN106989607A - 一种高温烟气余热回收及深度净化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温烟气余热回收及深度净化系统，包括余热回收模组、发电模组、有机朗肯循环换热器和除尘净化模组；其中，所述余热回收模组的进气端与高温烟气进口连接，出气端与除尘净化模组连接，余热回收模组中含有两组排列方向不同的列管式换热器，余热回收模组内部的换热介质管道出口与发电模组连接，所述发电模组与有机朗肯循环换热器串联连接，所述有机朗肯循环换热器通过冷凝器回流后经工质分离器分别连接至余热回收模组与有机朗肯循环换热器的换热介质管道进口。本发明通过采用水工质与有机工质两种介质与电解高温烟气进行三次热交换，达到对高温烟气的热量最大化利用的目的，后采用除尘净化模组对冷却烟气进行深度净化，做到节能减排，提高企业生产的经济效益。
Description
技术领域
本发明属于铝电解烟气余热利用与净化技术领域，具体涉及一种高温烟气余热回收及深度净化系统。
背景技术
铝电解生产过程中，输入的电能仅有40％～45％被用于参与电解反应生成铝，而烟气带走的热量占整个槽体系热损失(总能量减去电化学反应的电能)的40％～60％。因此，回收利用烟气带走的能量，对降低铝电解企业吨铝能耗、提高企业经济效益具有十分重要的意义。
目前在电解铝生产过程中，电解槽不断产生阳极气体，阳极气体的主要成分为CO2与CO。由于电解槽槽盖板密封不严密与长时间换极等操作的影响，会有大量的空气漏到电解槽中去，即电解槽排烟包括两部分，一是电化学反应产生的阳极气体，二是混入的大量空气。火眼口处的火焰温度达到960℃，刚产生的阳极气体被加热的很高，在800～950℃左右，但由于被混入的30℃左右厂房空气所稀释，进入烟气收集总管时候的温度降到了100℃～300℃。
在保证铝电解槽密封效果的前提下，铝电解槽由于排出的烟气总量巨大，所蕴含的热能总数十分惊人。目前，工业上回收铝电解槽的废热资源多采用低温烟气余热发电技术，普遍采用的是低沸点工质有机朗肯循环盘技术，简称ORC发电技术。但低温余热发电技术远不如中高温烟气发电技术成熟，且存在热量利用率低，效率低下等问题，经济效益亦不理想，故而缺乏广泛推广的价值。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对现有的铝电解高温烟气存在的余热利用率低的缺陷，提供一种能够对高温烟气的热量充分有效利用发电并且对回收热量后的低温烟气进行深度净化的装置，达到节能减排，降低生产成本的目的。
本发明采用如下技术方案实现：
一种高温烟气余热回收及深度净化系统，包括余热回收模组72、发电模组78、有机朗肯循环换热器79和除尘净化模组716；其中，所述余热回收模组72的进气端与高温烟气进口71连接，出气端与除尘净化模组716连接，余热回收模组内部的换热介质管道出口76与发电模组78连接，所述发电模组78与有机朗肯循环换热器79串联连接，所述有机朗肯循环换热器79通过冷凝器712回流连接至余热回收模组的换热介质管道进口75。
优选的，所述余热回收模组72的换热介质为水。
进一步的，所述有机朗肯循环换热器79的有机工质管道出口711与余热回收模组72的换热介质管道出口76连通，有机工质管道进口710通过工质分离器713并联连接至冷凝器712和余热回收模组72的换热介质管道进口75之间。
进一步的，所述工质分离器713与有机朗肯循环换热器79的有机工质管道进口710之间、以及工质分离器713与余热回收模组72的换热介质管道进口75之间分别串联设有储液罐714和加压泵715。
进一步的，所述有机朗肯循环换热器79的有机工质管道出口711和余热回收模组72的换热介质管道出口76通过集气箱77与发电模组78连接，所述集气箱77和发电模组78之间设有调节阀717。
在本发明中，所述发电模组78采用高压透平发电机组。
在本发明中，所述余热回收模组72内设有两组不同排列方向的列管式换热器，其中靠近余热回收模组进气端的第一列管式换热器74a垂直于高温烟气进气方向布置，靠近余热回收模组出气端在垂直于高温烟气进气方向设有若干交替分布形成S形迷宫气流通道的折流板73，第二列管式换热器74b垂直于折流板设置在S形迷宫气流通道内。
进一步的，所述第一列管式换热器74a和第二列管式换热器74b的换热介质管道并联设置。
在本发明中，所述除尘净化模组716包括除尘器和干法净化器。
在本发明中，高温烟气通过余热回收模组进行热交换，产生的蒸汽先用于高压透平发电机组发电，发电后的蒸汽通过有机朗肯循环换热器再次进行热交换，产生有机蒸汽与余热回收模组产生的蒸汽一同输入集气箱，用于再次发电。
本发明中的余热回收模组中含有两组排列方向不同的列管式换热器，先接触高温烟气的第一列管式换热器中，高温烟气与水工质有很大的温度差，具有大的传热推动力，因此可以达到高效回收余热的目的。在第二列管式换热器中，由于烟气的温度降低，传热推动力减弱，因此在该组列管式换热器所在的气流通道内设置折流板，延长烟气的流通路径，增大烟气在余热回收系统的停留时间，达到充分吸收烟气余热的目的。
本发明将余热回收模组与有机朗肯循环换热器配合，将高温烟气按照能级匹配，采用梯级回收热量，实现高温烟气与两种工质(水和有机工质)进行三次热交换，提高了高温烟气余热的利用率。在整个系统中，蒸汽冷凝后进入工质分离器，两种工质分离后分别回流进入余热回收模组的换热介质管道和有机朗肯循环换热器的有机工质管道，对工质进行循环利用，减少有机工质对其他设备的腐蚀，保证操作的稳定运行。
同时，本发明在将高温烟气进行余热回收利用后，大幅降低烟气温度，再对烟气进行净化处理，可最大限度的脱除烟气中的有害杂质，减少高温烟气对后续除尘净化设备的破坏。
由上所述，本发明通过采用水与有机工质两种介质与电解高温烟气进行三次热交换，达到对高温烟气的热量最大化利用的目的，后采用除尘净化模组对冷却烟气进行深度净化，做到节能减排，提高企业生产的经济效益。
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
附图说明
图1为实施例中的一种高温烟气余热回收及深度净化系统连接示意图。
图中标号：71-高温烟气进口，72-余热回收模组，73-折流板，74a-第一列管式换热器，74b-第二列管式换热器，75-换热介质管道进口，76-换热介质管道出口，77-集气箱，78-发电模组，79-有机朗肯循环换热器，710-有机工质管道进口，711-有机工质管道出口，712-冷凝器，713-工质分离器，714-储液罐，715-加压泵，716-除尘净化模组，717-调节阀，718-流量阀。
具体实施方式
实施例
参见图1，图示中的一种高温烟气余热回收及深度净化系统为本发明的优选方案，由余热回收模组72、集气箱77、发电模组78、有机朗肯循坏换热器79、冷凝器712、工质分离器713、储液罐714、除尘净化模组716等部分构成。其中余热回收模组72的进气端与高温烟气进口71连接，余热回收模组72的出气端与除尘净化模组716连接，余热回收模组72的换热介质管道出口76连接至集气箱77，集气箱77通过调节阀717连接至发电模组78，发电模组78的出气端连接有机朗肯循环换热器79的进气端，有机朗肯循环换热器79的出气端与冷凝器712连接，同时有机朗肯循环换热器79的有机工质管道出口711与换热介质管道出口76一同连接至集气箱77，通过水蒸汽和有机蒸汽的混合蒸汽对发电机组进行发电，冷凝器712则工质分离器713与有机工质管道进口710连接，分离循环利用有机工质，同时工质分离器713还与余热回收模组72的换热介质管道进口75连接，分离循环利用余热回收模组的水介质。
具体的，余热回收模组72中设有两组不同排列方向的列管式换热器，沿烟气流动方向，第一列管式换热器74a排布在第二列管式换热器74b前一级，第一列管式换热器74a靠近余热回收模组进气端，从高温烟气进口71进入的高温烟气与第一列管式换热器74a中的水工质有很大的温度差，具有大的传热推动力，因此可以将第一列管式换热器74a的换热介质管道垂直于高温烟气的进气方向布置，直接高效回收烟气中的余热。而第二列管式换热器74b靠近余热回收模组出气端，此时的烟气温度经过第一列管式换热器的热交换后，温度已经降低，为了进一步提高该部分烟气中的余热回收效率，在第二列管式换热器74b的区域内设置若干折流板73，折流板垂直于高温烟气进气方向交替分布，形成一个S形的迷宫气流通道，第二列管式换热器74b的换热介质管道垂直S形迷宫气流通道设置，通过延长气流通道，提高烟气与换热介质管道接触的时间，使换热介质管道内的水工质充分吸收烟气余热，深度回收烟气中的余热。
考虑到第一列管式换热器74a和第二列管式换热器74b之间的换热效率存在差别，将两组列管式换热器的换热介质管道分开设置，并分别将两组换热介质管道出口并联连接至集气箱，另外，工质分离器713分离后的水介质可只回流至第一列管式换热器74a中，第二列管式换热器74b的换热介质通道进口则从系统外部补充新的水介质，对系统内部的水工质进行补充。
铝电解槽内产生的高温烟气由高温烟气进口71进入余热回收模组72内，与分布不同的两组列管式换热器进行热交换，将高温烟气的热量传给列管式换热器中的液态水工质，液态水工质在换热介质管道内折返流动，吸收高温烟气的热量逐渐升温，形成介质蒸汽由换热介质管道出口76排出，并储存至集气箱77中，至此，高温烟气经过余热回收模组72回收余热后，达到工艺温度要求的冷却烟气，然后由余热回收模组72的出气端送入除尘净化模组716进行深度净化后排放。
集气箱77分别收集从余热回收模组72的两组列管式换热器和有机朗肯循环换热器产生的混合蒸汽包括水蒸汽和有机蒸汽，通过调节阀717输出连续稳定的蒸汽到达发电模组78，用于带动发电机发电，实现余热的利用。针对混合蒸汽的特性，发电机组78采用透平发电机组，由高压透平和发电机组成。
有机朗肯循环换热器79中采用低沸点有机工质作为热交换的介质，对发电机组输出的较低温蒸汽热量进行再次回收利用。如图1中的箭头所示，发电机组78输出的低温混合烟气进入有机朗肯循环换热器79，该低温混合烟气与有机朗肯循环换热器79内的有机工质管道接触，与管道内部的有机工质进行热交换，由于有机工质的沸点较低，有机工质吸收热量后迅速形成有机蒸汽，然后通过有机工质管道出口711进入到集气箱77内，与水蒸汽混合再次进行发电，而经过热交换后的低温混合蒸汽从有机朗肯循环换热器79输出进入冷凝器712冷凝，然后进入工质分离器713，工质分离器713中装有有机物/水分离薄膜，该薄膜具有选择透过性，达到分离冷凝后的液态有机工质和水工质的目的。
工质分离器713的两个分离出口分别通过连接至两个储液罐714存储液态水工质和液态有机工质，相应的储液罐714中的液态水工质和液态有机工质然后分别经过加压泵715提供动力，分别循环输入到第一列管式换热器74a的换热介质管道进口75和有机朗肯循环换热器79的有机工质管道进口710，作为新的换热工质循环使用。其中还在液态水工质的加压泵715出口处设置流量阀718，利用流量阀718控制水工质进入换热介质管道的流速，依据列管换热面积、对流传热系数、烟气流量与温度，确定最佳的水流速。实际运行中，混合蒸汽冷凝后进入工质分离器713，将两种工质分离后进入余热回收模组和有机朗肯循环换热器，对工质进行分类循环利用，减少有机工质对其他设备的腐蚀，保证操作的稳定运行。
净化除尘系统716由布袋除尘器和干法净化器组成，在干法净化器中，选用比表面积大的砂状氧化铝作为吸附剂，吸附烟气中的HF等大气污染物，得到的含氟氧化铝可回收后再返回铝电解槽中使用，提高铝电解效率。此时电解排放的高温烟气经过余热回收利用后，烟气温度大幅降低，再对烟气进行净化处理，可最大限度的脱除烟气中的有害杂质，减少高温烟气对后续净化除尘设备的破坏。
以下详细说明本实施例的具体工作过程：
通过铝电解槽集气系统收集到的高温烟气通过高温烟气进口71进入到余热回收模组72，液态水工质通过换热介质管道进口75进入到两组列管式换热器中，高温烟气先与竖排设置的第一列管式换热器74a中的液态水工质进行热交换，得到的水蒸汽通过换热介质管道出口76进入到集气箱77中，初步降温得到的中高温烟气再与横排设置的第二列管式换热器74b进行热交换，在其中设有折流板73，烟气沿着折流板的导向往返流动，增大了烟气的停留时间，最后得到的低温烟气送入除尘净化模组716，吸附剂砂状氧化铝对含氟等物质进行吸附，得到的载氟氧化铝返回电解槽中利用，烟气通过布袋除尘器进行除尘处理后排入大气。由集气箱77输出的混合蒸汽通过调节阀717输出连续稳定的蒸汽进入发电机组78发电，对发电后的烟气余热通过有机朗肯循环换热器79，与由有机工质管道进口710进入的低沸点有机工质进行再次热交换，输出的有机蒸汽进入集气箱77中与水蒸汽一同进行发电，从有机朗肯循环换热器79输出的低温蒸汽通过冷凝器712冷凝后进入工质分离器713，对液态水工质/有机工质进行分离，然后输入到各自的储液罐714中，通过加压泵分别循环输入到第一列管式换热器74a和有机朗肯循环换热器79中，对水工质和有机工质进行循环利用。
以上实施例是对本发明的说明，并非对本发明的限定，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的具体工作原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种高温烟气余热回收及深度净化系统，其特征在于，包括余热回收模组(72)、发电模组(78)、有机朗肯循环换热器(79)和除尘净化模组(716)；其中，所述余热回收模组(72)的进气端与高温烟气进口(71)连接，出气端与除尘净化模组(716)连接，余热回收模组内部的换热介质管道出口(76)与发电模组(78)连接，所述发电模组(78)与有机朗肯循环换热器(79)串联连接，所述有机朗肯循环换热器(79)通过冷凝器(712)回流连接至余热回收模组的换热介质管道进口(75)。
2.根据权利要求1所述的一种高温烟气余热回收及深度净化系统，所述余热回收模组(72)的换热介质为水。
3.根据权利要求2所述的一种高温烟气余热回收及深度净化系统，所述有机朗肯循环换热器(79)的有机工质管道出口(711)与余热回收模组(72)的换热介质管道出口(76)连通，有机工质管道进口(710)通过工质分离器(713)并联连接至冷凝器(712)和余热回收模组(72)的换热介质管道进口(75)之间。
4.根据权利要求3所述的一种高温烟气余热回收及深度净化系统，所述工质分离器(713)与有机朗肯循环换热器(79)的有机工质管道进口(710)之间、以及工质分离器(713)与余热回收模组(72)的换热介质管道进口(75)之间分别串联设有储液罐(714)和加压泵(715)。
5.根据权利要求4所述的一种高温烟气余热回收及深度净化系统，所述有机朗肯循环换热器(79)的有机工质管道出口(711)和余热回收模组(72)的换热介质管道出口(76)通过集气箱(77)与发电模组(78)连接，所述集气箱(77)和发电模组(78)之间设有调节阀(717)。
6.根据权利要求1所述的一种高温烟气余热回收及深度净化系统，所述发电模组(78)采用高压透平发电机组。
7.根据权利要求1所述的一种高温烟气余热回收及深度净化系统，所述余热回收模组(72)内设有两组不同排列方向的列管式换热器，其中靠近余热回收模组进气端的第一列管式换热器(74a)垂直于高温烟气进气方向布置，靠近余热回收模组出气端在垂直于高温烟气进气方向设有若干交替分布形成S形迷宫气流通道的折流板(73)，第二列管式换热器(74b)垂直于折流板设置在S形迷宫气流通道内。
8.根据权利要求7所述的一种高温烟气余热回收及深度净化系统，所述第一列管式换热器(74a)和第二列管式换热器(74b)的换热介质管道并联设置。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种高温烟气余热回收及深度净化系统，所述除尘净化模组(716)包括除尘器和干法净化器。
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