CN114757025A - 用于电解铝排烟净化系统的多点耦合节能设计方法 - Google Patents

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CN114757025A CN202210365806.5A CN202210365806A CN114757025A CN 114757025 A CN114757025 A CN 114757025A CN 202210365806 A CN202210365806 A CN 202210365806A CN 114757025 A CN114757025 A CN 114757025A
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Abstract

本发明公开了用于电解铝排烟净化系统的多点耦合节能设计方法，具体为：通过各支管阀门的调节实现不同支管内抽吸流量的平衡，从而在不改变厂房工作环境的前提下降低净化系统的总烟气量；对于存在换热器的烟气净化系统，焊接旁路管道，且旁路管道与原管道交接处的夹角小于等于45°，用于在换热器部分负荷运行或停运时降低系统阻力；对于存在排烟风机备机的烟气净化系统，通过在风机出口或进口增加密封阀门阻断烟气回流，从而降低通过排烟风机的烟气量；将以上烟气量的降低、系统阻力的减少与风机设计相耦合，在新的工况点下对风机进行选型设计，提高风机实际的运行效率，进而降低风机能耗。

Description

用于电解铝排烟净化系统的多点耦合节能设计方法
技术领域
本发明属于电解铝节能减排技术领域，具体涉及一种用于电解铝排烟净化系统的多点耦合节能设计方法。
背景技术
在电解铝生产过程中，从电解槽中会散发出大量烟气，烟气由气态和固态物质所组成。烟气从电解槽集气罩进入主管网，经除尘器后进入排烟净化风机，最终通过烟囱排入大气。排烟风机耗电量巨大，以西宁地区某电解铝企业为例，每10万吨铝，排烟风机年耗电量约为1500万kW·h。我国2021年铝产能为3760万吨，按此推算，电铝率排烟风机耗电约为56.4亿kW·h，能耗极高。
烟气流量、系统阻力和风机效率是影响排烟系统能耗的主要因素。烟气流量取决于集气罩自身的集气效率以及各电解槽集气罩间的压力平衡，由于电解槽盖板间存在间隙，在捕集烟气的同时不可避免地将空气吸入管网。实际设计中，多个电解槽集气罩通过支管连接在同一个主管上，距离主管源头的集气罩内负压较低，将厂房内的空气经电解槽盖板间隙吸入集气罩，导致抽出的烟气量偏大；而距离较远处的集气罩则相反，抽出的烟气量偏小。这造成不同电解槽的烟气捕集能力差别过大，整体上使得烟气流量偏大的同时，厂房内环境恶劣，烟气浓度高。系统阻力的来源包括管网、除尘布袋以及余热回收的换热器等，其中换热器一般冬季工作为工厂提供热水，但在夏季换热器一般在部分负荷下运行或停止运行，但换热器造成的系统阻力并未减少，导致系统压力的浪费。排烟风机是整个净化系统的动力部件，电解铝排烟风机一般布置多台，其中一台作为备机，但烟气经运行风机进入出口管道后，在压差作用下部分烟气经备机回流至主管网，再次通过风机进入烟囱，形成了烟气回流循环，导致风机做了无用功。此外，由于以上原因，风机设计工况点与实际工作参数往往严重偏离，风机工作效率低下。
以上因素导致电解铝排烟净化系统烟气流量过大，系统阻力偏高，且风机偏工况运行导致运行效率低下，进而造成排烟净化系统能耗居高不下的现状。针对该系统目前的普遍方法是风机加变频或者永磁进行调速，但该方法是以降低系统风量为代价进行的节能，导致电解厂房烟气浓度增大，工人工作环境恶劣。亟需探索新的节能技术，在不改变厂房烟气浓度或略微降低烟气浓度的前提下，降低净化系统的整体能耗。
发明内容
本发明的目的是提供用于电解铝排烟净化系统的多点耦合节能设计方法，可在不改变厂房工作环境的前提下大幅度降低系统的烟气总量和系统阻力，阻断烟气回流的同时提高风机运行效率。
本发明所采用的技术方案是，用于电解铝排烟净化系统的多点耦合节能设计方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、通过各支管阀门的调节实现不同支管内抽吸流量的平衡，从而在不改变厂房工作环境的前提下降低净化系统的总烟气量；
步骤2、对于存在换热器的烟气净化系统，在换热器上游、下游处开孔，并焊接旁路管道，且旁路管道与原管道交接处的夹角小于等于45°，用于在换热器部分负荷运行或停运时降低系统阻力；
步骤3、对于存在排烟风机备机的烟气净化系统，通过在风机出口或进口增加密封阀门阻断烟气回流，从而降低通过排烟风机的烟气量；
步骤4、将以上烟气量的降低、系统阻力的减少与风机设计相耦合，在新的工况点下对风机进行选型设计，提高风机实际的运行效率，进而降低风机能耗。
本发明的特点还在于，
步骤1中，各支管阀门的调节过程为：
步骤1.1，通过压力传感器测量总管负压P0和当地大气压Pa，测量任一集气罩处的负压Pi，i＝1,2,3…N，N为集气罩数量，测量支管直径d；并通过流量计测量该集气罩支管处的流速Ui，通过温度传感器测量烟气温度T0，并测量该集气罩至总管距离Li；
步骤1.2，计算烟气密度和管道摩擦系数，分别如式(1)及式(2)所示；
ρ＝(Pa-P0)/RT0 (1)；
Figure BDA0003586950110000031
式(1)中，ρ为烟气密度，R为烟气气体常数，
步骤1.3，通过压力传感器测量第i个支管上的阀门阻力Pf,i，并计算第i个集气罩的烟气流量，如式(3)所示；
Figure BDA0003586950110000041
步骤1.4，已知集气罩的设计烟气流量为V0，则多排出烟气量ΔV如式(4)所示；
Figure BDA0003586950110000042
步骤1.5，已知除尘器及管网阻力为Pc，则多排出烟气量造成的系统阻力ΔPc如式(5)所示；
Figure BDA0003586950110000043
步骤1.6，通过电动或者手动方式调节第i个支管上的阀门开度，直至Vi和V0的相对误差在5％以内，实现烟气的集气平衡。
步骤2中，采用压差传感器测量无旁路管道时的换热器阻力Ph，增加旁路管道后测量此时换热器阻力
Figure BDA0003586950110000044
此处减少的阻力ΔPh如式(6)所示；
Figure BDA0003586950110000045
步骤3中，采用流量计测量排烟风机备机的回流烟气量Vre，增加密封阀门后测量此时排烟风机备机的回流流量
Figure BDA0003586950110000046
此处减少的回流量ΔVre如式(7)所示；
Figure BDA0003586950110000047
步骤4中，具体为：
步骤4.1，按照《GB/T1236-2017工业通风机用标准化风道性能试验》要求，采用流量计测量改造前排烟风机的总流量Vs，改造完成后，计算系统的总流量
Figure BDA0003586950110000051
如式(8)所示；
Figure BDA0003586950110000052
步骤4.2，采用压力传感器测量风机进口静压p′s,ιn和出口静压p′s，out，利用温度传感器测量风机进口温度Ts，并按照《GB/T 1236-2017工业通风机用标准化风道性能试验》，计算改造前排烟风机的全压升Ps，改造完成后，计算排烟风机的全压升为
Figure BDA0003586950110000053
如式(9)所示；
Figure BDA0003586950110000054
通风机进口烟气密度ρs如式(10)所示；
ρs＝(Pa-p′s,ιn)/RTs (10)；
步骤4.3，通过电表读取电机的输入功率W，已知电机效率为ηe，传动效率为ηm，计算原风机的运行效率ηs如式(11)所示；
ηs＝VsPs/(1000Wηeηm) (11)；
步骤4.4，根据系统总流量
Figure BDA0003586950110000055
和排烟风机的全压升
Figure BDA0003586950110000056
计算新风机的比转速ns如式(12)所示；
Figure BDA0003586950110000057
步骤4.5，利用《风机手册》(ISBN：9787111317760)进行风机的选型设计，首先根据比转速ns与压力系数的关系曲线给定压力系数ψs进行试算，并计算得到叶轮直径如式(13)所示；
Figure BDA0003586950110000061
选择与ns和ψs接近的风机型号作为新的排烟风机，得到密度为ρs、直径为Ds时的新的排烟风机流量Vgb、全压升Pgb和效率ηgb，并保证
Figure BDA0003586950110000062
且
Figure BDA0003586950110000063
如不满足要求，则重新给定压力系数再次计算，直至满足要求。
本发明的有益效果是：采用该方法对排烟净化系统进行节能设计后，可在不改变厂房工作环境的前提下大幅度降低系统的烟气总量和系统阻力，阻断烟气回流的同时提高风机运行效率，几者耦合作用下可降低20％-45％的排烟风机能耗。改造后，可大幅度降低企业生产成本，同时响应了国家的节能减排战略。
附图说明
图1是电解铝排烟净化系统改造后的结构示意图；
图2是电解铝厂一改造前后各支管的烟气流量及改造后的阀门阻力图；
图3是电解铝厂二改造前后各支管的烟气流量及改造后的阀门阻力图；
图4是电解铝厂三改造前后各支管的烟气流量及改造后的阀门阻力图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明用于电解铝排烟净化系统的多点耦合节能设计方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、针对电解槽各集气罩收集的烟气量不一致，即集气不平衡问题，通过各支管阀门的调节实现不同支管内抽吸流量的平衡，从而在不改变厂房工作环境的前提下降低净化系统的总烟气量；
调节的具体过程为：
步骤1.1，通过压力传感器测量总管负压P0和当地大气压Pa，测量任一集气罩处的负压Pi(i＝1,2,3…N，N为集气罩数量)，测量支管直径d(每个支管直径均相等)；
并通过流量计测量该集气罩支管处的流速Ui，通过温度传感器测量烟气温度T0，并测量该集气罩至总管距离Li；
步骤1.2，计算烟气密度和管道摩擦系数，分别如式(1)及式(2)所示；
ρ＝(Pa-P0)/RT0 (1)；
Figure BDA0003586950110000071
式(1)中，ρ为烟气密度，R为烟气气体常数，
式(2)中，g为当地加速度；
步骤1.3，通过压力传感器测量第i个支管上的阀门阻力Pf,i，并计算第i个集气罩的烟气流量，如式(3)所示；
Figure BDA0003586950110000081
步骤1.4，已知集气罩的设计烟气流量为V0，则多排出烟气量ΔV如式(4)所示；
Figure BDA0003586950110000082
步骤1.5，已知除尘器及管网阻力为Pc，则多排出烟气量造成的系统阻力ΔPc如式(5)所示；
Figure BDA0003586950110000083
步骤1.6，通过电动或者手动方式调节第i个支管上的阀门开度，使Vi尽可能接近V0，由于各支管间相互影响，需要重复步骤1.3至步骤1.5，直至Vi和V0的相对误差在5％以内，实现烟气的集气平衡；
步骤2、对于存在换热器的烟气净化系统，在换热器上游、下游各大于3D(D为管道直径)处开孔，并焊接旁路管道，旁路管道材质等均与原管道一致；旁路管道的直径可取为0.8～1D，且旁路管道与原管道交接处的夹角小于等于45°，用于在换热器部分负荷运行或停运时降低系统阻力；旁路管道上需设置电动蝶阀，用于在换热器满负荷运行时关闭旁通管路；
采用压差传感器测量无旁路管道时的换热器阻力Ph，增加旁路管道后测量此时换热器阻力
Figure BDA0003586950110000084
此处减少的阻力ΔPh如式(6)所示；
Figure BDA0003586950110000085
步骤3、对于存在排烟风机备机的烟气净化系统，通过在风机出口或进口增加密封阀门阻断烟气回流，从而降低通过排烟风机的烟气量；
对于圆管道密封阀门可选用密封性能较好的蝶阀；对于方管道密封阀门可选用密封性能较好的插板阀，阀门材质无特殊要求，与管道一致即可；
由于风机需要倒机运行，因而每个风机的进口或出口均需增加密封阀门，阀门数量与风机数量一致。通过密封阀门，阻断烟气回流，进而降低通过排烟风机的烟气量；采用流量计测量排烟风机备机的回流烟气量Vre，增加密封阀门后测量此时排烟风机备机的回流流量
Figure BDA0003586950110000091
此处减少的回流量ΔVre如式(7)所示；
Figure BDA0003586950110000092
步骤4、将以上烟气流量的降低、系统阻力的减少与风机设计相耦合，在新的工况点下对风机进行选型设计，提高风机实际的运行效率，进而降低风机能耗；
具体实施步骤为：
步骤4.1，按照《GB/T1236-2017工业通风机用标准化风道性能试验》要求，采用流量计测量改造前排烟风机的总流量Vs，上述改造完成后，计算系统的总流量
Figure BDA0003586950110000093
如式(8)所示；
Figure BDA0003586950110000094
步骤4.2，采用压力传感器测量风机进口静压p′s,ιn和出口静压p′s，out，利用温度传感器测量风机进口温度Ts，并按照《GB/T 1236-2017工业通风机用标准化风道性能试验》，计算改造前排烟风机的全压升Ps，上述改造完成后，计算排烟风机的全压升为
Figure BDA0003586950110000101
如式(9)所示；
Figure BDA0003586950110000102
通风机进口烟气密度ρs如式(10)所示；
ρs＝(Pa-p′s,ιn)/RTs (10)；
步骤4.3，通过电表读取电机的输入功率W，已知电机效率为ηe，传动效率为ηm，计算原风机的运行效率ηs如式(11)所示；
ηs＝VsPs/(1000Wηeηm) (11)；
步骤4.4，根据系统总流量
Figure BDA0003586950110000103
和排烟风机的全压升
Figure BDA0003586950110000104
计算新风机的比转速ns如式(12)所示；
Figure BDA0003586950110000105
其中，Ns为电机转速；
步骤4.5，利用《风机手册》(ISBN：9787111317760)进行风机的选型设计，首先根据比转速ns与压力系数的关系曲线给定压力系数ψs进行试算，并计算得到叶轮直径如式(13)所示；
Figure BDA0003586950110000106
其中，ζ为余量系数，根据系统的不同，取值为1～1.05；
选择与ns和ψs接近的风机型号作为新的排烟风机，得到密度为ρs、直径为Ds时的新的排烟风机流量Vgb、全压升Pgb和效率ηgb，并保证
Figure BDA0003586950110000111
且
Figure BDA0003586950110000112
如不满足要求，则重新给定压力系数再次计算，直至满足要求；
步骤4.6，经改造后，计算系统节能率ε如式(14)所示；
Figure BDA0003586950110000113
已知当前系统的年耗电量为Ws，系统年节电量为Wn＝εWs；
实施例1
某电解铝厂一的参数由表1给出，排烟系统有4条总管，每条总管上有电解槽24个，共有电解槽96个，其中84个集气罩的烟气收集量超过设计值，其它集气罩的烟气收集量低于设计值。采用多点耦合节能设计方法进行改造，通过支管阀门的调节将集气罩的烟气收集量调节至设计值，改造前后烟气收集量对比以及阀门调整后的阻力Pf,i由图2给出。此外，通过换热器增加旁路降低系统阻力120Pa，对排烟风机备机增加密封阀门降低烟气回流25134m3/h。综合以上措施，并对风机进行重新选型设计，因其比转速为94，略微超过了常规离心风机的选型范围，因此选择与之最接近的Y4-75 No19型风机，系统节能率达43.64％，年节能量359万kW·h。
实施例2
某电解铝厂二的参数由表1给出，排烟系统有4条总管，每条总管上有电解槽36个，共有电解槽144个，且每个集气罩上已通过阀门进行了流量调节，其中128个集气罩的烟气收集量超过设计值，其它集气罩的烟气收集量低于设计值。采用多点耦合节能设计方法进行改造，通过支管阀门的调节将128个集气罩的烟气收集量调节至设计值，但由于总管负压限制无法有效改变其它集气罩的烟气收集量，改造前后烟气收集量及阀门调整后的阻力Pf,i由图3给出。此外，该电解铝厂无换热器，因而无法降低该部分阻力。排烟风机有备机，增加密封阀门可以降低烟气回流42814m3/h。综合以上措施，并对风机进行重新选型设计，采用单吸设计的比转速高达128，没有与之匹配的国标离心风机。因此采用双吸设计，单侧的风机比转速为91，风机型号选为Y4-2×75No18.4，系统节能率为36.58％，年节能量417万kW·h。
实施例3
某电解铝厂三的参数与案例二基本相同，但已对集气罩阀门进行了深度调节，烟气收集量由图4给出。采用多点耦合节能设计方法进行改造，通过支管阀门的调节将部分集气罩的阀门进一步关闭，部分集气罩阀门略微打开(阀门阻力为负)，使烟气收集量尽可能接近设计值。此外，该电解铝厂烟气系统无换热器，因而无法降低该部分阻力，且排烟风机的备机已增加密封阀门。因此，对该系统的改造主要在于降低烟气总流量和提高风机效率。对风机进行重新选型设计，采用单吸设计时比转速高达123，没有与之匹配的国标离心风机。因此采用双吸设计，单侧的风机比转速为87，风机型号选为Y4-2×75No19，改造后系统节能率达21.27％，年节能量216万kW·h。
表1 三个电解铝厂排烟净化系统的参数及节能改造效果
Figure BDA0003586950110000131
Figure BDA0003586950110000141
多点耦合节能设计方法适用于所有电解铝排烟净化系统，未采用该方法设计前，系统烟气排放量大，管网阻力偏高，存在烟气回流且风机效率偏低的问题，整体能耗居高不下。采用该方法对排烟净化系统进行节能设计后，可在不改变厂房工作环境的前提下大幅度降低系统的烟气总量和系统阻力，阻断烟气回流的同时提高风机运行效率，几者耦合作用下可降低20％-45％的排烟风机能耗。

Claims (5)

1.用于电解铝排烟净化系统的多点耦合节能设计方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、通过各支管阀门的调节实现不同支管内抽吸流量的平衡，从而在不改变厂房工作环境的前提下降低净化系统的总烟气量；
步骤2、对于存在换热器的烟气净化系统，在换热器上游、下游处开孔，并焊接旁路管道，且旁路管道与原管道交接处的夹角小于等于45°，用于在换热器部分负荷运行或停运时降低系统阻力；
步骤3、对于存在排烟风机备机的烟气净化系统，通过在风机出口或进口增加密封阀门阻断烟气回流，从而降低通过排烟风机的烟气量；
步骤4、将以上烟气量的降低、系统阻力的减少与风机设计相耦合，在新的工况点下对风机进行选型设计，提高风机实际的运行效率，进而降低风机能耗。
2.根据权利要求1所述的用于电解铝排烟净化系统的多点耦合节能设计方法，其特征在于，所述步骤1中，各支管阀门的调节过程为：
步骤1.1，通过压力传感器测量总管负压P0和当地大气压Pa，测量任一集气罩处的负压Pi，i＝1,2,3…N，N为集气罩数量，测量支管直径d；并通过流量计测量该集气罩支管处的流速Ui，通过温度传感器测量烟气温度T0，并测量该集气罩至总管距离Li；
步骤1.2，计算烟气密度和管道摩擦系数，分别如式(1)及式(2)所示；
ρ＝(Pa-P0)/RT0 (1)；
Figure FDA0003586950100000021
式(1)中，ρ为烟气密度，R为烟气气体常数，
式(2)中，g为当地加速度；
步骤1.3，通过压力传感器测量第i个支管上的阀门阻力Pf，i，并计算第i个集气罩的烟气流量，如式(3)所示；
Figure FDA0003586950100000022
步骤1.4，已知集气罩的设计烟气流量为V0，则多排出烟气量ΔV如式(4)所示；
Figure FDA0003586950100000023
步骤1.5，已知除尘器及管网阻力为Pc，则多排出烟气量造成的系统阻力ΔPc如式(5)所示；
Figure FDA0003586950100000024
步骤1.6，通过电动或者手动方式调节第i个支管上的阀门开度，直至Vi和V0的相对误差在5％以内，实现烟气的集气平衡。
3.根据权利要求2所述的用于电解铝排烟净化系统的多点耦合节能设计方法，其特征在于，所述步骤2中，采用压差传感器测量无旁路管道时的换热器阻力Ph，增加旁路管道后测量此时换热器阻力
Figure FDA0003586950100000025
此处减少的阻力ΔPh如式(6)所示；
Figure FDA0003586950100000031
4.根据权利要求3所述的用于电解铝排烟净化系统的多点耦合节能设计方法，其特征在于，所述步骤3中，采用流量计测量排烟风机备机的回流烟气量Vre，增加密封阀门后测量此时排烟风机备机的回流流量
Figure FDA0003586950100000032
此处减少的回流量ΔVre如式(7)所示；
Figure FDA0003586950100000033
5.根据权利要求4所述的用于电解铝排烟净化系统的多点耦合节能设计方法，其特征在于，所述步骤4中，具体为：
步骤4.1，按照《GB/T1236-2017工业通风机用标准化风道性能试验》要求，采用流量计测量改造前排烟风机的总流量Vs，改造完成后，计算系统的总流量
Figure FDA0003586950100000034
如式(8)所示；
Figure FDA0003586950100000035
步骤4.2，采用压力传感器测量风机进口静压p′s，ln和出口静压p′s，out，利用温度传感器测量风机进口温度Ts，并按照《GB/T 1236-2017工业通风机用标准化风道性能试验》，计算改造前排烟风机的全压升Ps，改造完成后，计算排烟风机的全压升为
Figure FDA0003586950100000036
如式(9)所示；
Figure FDA0003586950100000037
通风机进口烟气密度ρs如式(10)所示；
ρs＝(Pa-p′s，ln)/RTs (10)；
步骤4.3，通过电表读取电机的输入功率W，已知电机效率为ηe，传动效率为ηm，计算原风机的运行效率ηs如式(11)所示；
ηS＝VsPs/(1000Wηeηm) (11)；
步骤4.4，根据系统总流量
Figure FDA0003586950100000041
和排烟风机的全压升
Figure FDA0003586950100000042
计算新风机的比转速ns如式(12)所示；
Figure FDA0003586950100000043
其中，Ns为电机转速；
步骤4.5，利用《风机手册》进行风机的选型设计，首先根据比转速ns与压力系数的关系曲线给定压力系数ψs进行试算，并计算得到叶轮直径如式(13)所示；
Figure FDA0003586950100000044
其中，ζ为余量系数；
选择与ns和ψs接近的风机型号作为新的排烟风机，得到密度为ρs、直径为Ds时的新的排烟风机流量Vgb、全压升Pgb和效率ηgb，并保证
Figure FDA0003586950100000045
且
Figure FDA0003586950100000046
如不满足要求，则重新给定压力系数再次计算，直至满足要求。
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