CN205474028U - 一种铝电解烟气余热利用系统 - Google Patents

Abstract

一种铝电解烟气余热利用系统，在烟气排出位置安装一套烟气换热器，烟气换热器连通采暖系统，利用烟气换热器使烟气余热与采暖循环水进行热交换，将采暖循环水升温至70℃以上，供采暖系统使用；利用部分70℃以上的水与洗浴用水进行水水热交换，将洗浴用水升温至50℃以上，供浴室洗浴使用，本实用新型还提供了相应的系统，本实用新型在电解烟气进入除尘系统前把温度降下来，并将热量回收利用，通过在电解烟气主烟气管道上安装管式换热器，高温电解烟气余热通过换热器将冷水加热，即可取代锅炉供暖、员工洗浴及生活热水所需，达到铝电解烟气余热回收利用目的。

Description

一种铝电解烟气余热利用系统

技术领域

本实用新型属于烟气余热节能技术领域，特别涉及一种铝电解烟气余热利用系统。

背景技术

有色冶金工业是耗能大户，都存在大量的节能问题。钢铁企业的高楼炼焦等均有相当数量的余热未能回收利用，同样铝电解工业的铝电解槽烟气余热也未进行利用，目前，铝电解工业所用的电解质为冰晶石—氧化铝熔盐体系，炭素阳极和阴极上下放置，当电流通过熔融的电解质时产生大量的电阻热，其中一部分热量用于维持电解槽的热量平衡，一部分散发到周围大气中。而目前的铝电解工艺，能耗的利用率不到50％，大量的能耗以废热的形式散发到周围环境中，其中电解烟气带走的废热约占总能耗的1/4，回收利用这部分能量是铝电解工业急需解决的问题。

在现行的电解工艺设备设计建设使用过程中产生的电解烟气，经电解烟气净化系统后直接由引风机送至烟囱排放。在电解槽至电解烟气净化系统的电解烟气输送钢管，全部采用了不带保温的钢管来进行直接连接安装，来进行对电解烟气的散热设计建设与使用，从而将电解烟气到净化设备的温度降低，使电解烟气到达净化设备的烟气温度为80-120℃。因为高温电解烟气的排放对设备腐蚀性增强，降低了设备的使用寿命。所以这也就是电解铝生产线热能损失很大、热能能量利用率低的重要原因之一，对环境温度影响也很大，也是造成温度效应的原因之一。

电解槽排放的烟气需要进行除尘处理后，才可以排放至大气。除尘器入口烟气温度过高，对滤料的寿命会产生不利影响，增加除尘器的投资及维护成本。电解槽至除尘器之间的烟道，均不保温，目的是尽可能的散掉热量，使得除尘器入口烟气温度降低。

当前铝电解工业少有对铝电解槽烟气余热回收的工程，近几年，随着铝电解技术的不断发展，电解铝生产规模不断扩大，节能减排技术也越来越引起全社会的关注，回收烟气带走的能量，对降低铝行业能耗、提高企业经济效益、响应国家政策打造低碳环保式生产等方面均具有重要的经济和社会意义。一些电解铝企业逐步对电解槽烟气余热进行了少量的利用。

目前铝电解槽烟气余热回收主要是在铝电解槽排烟的支管或干管上布置一台或几台余热回收器满足少量的热负荷需求，经余热回收器的烟气最后由引风机排出；另外还有一部分余热回收换热器，换热器外壳内设置有两个并排的异型翅管，采用双路并联对流换热方式，翅管内走水，翅管外走气，换热器进水管道、出水管道均设置有两路，并分别加装阀门进行控制。由于目前翅片管采用的是双路并联的换热方式，水行程较短，电解槽支线安装的换热器属于水套管式换热器，换热面积较小，换热效果较差，换热负荷较小，一般满足不了冬季采暖需求。

此种烟气余热利用设计方案存在以下的缺陷：

①无法保持原有铝电解槽排烟风管系统压力平衡，由于新增的余热回收器阻力压损集中在一根总管上，造成净化系统两侧阻力差，该阻力差不单是新增的余热回收器产生的阻力，还包括运行时因各种原因(如余热回收器积灰)而产生的阻力，因此两侧排烟净化系统压力不平衡，不仅影响了余热回收率，且存在安全隐患；

②该设计方案中的余热回收器烟气侧阻力较大，无法做到仅利用原有已投入运行引风机运行富余量，而需增设、增开引风机，增加生产设备投入；

③铝电解槽烟气属高含尘烟气，确保余热回收器清灰除尘方便、高效是系统有效运行的根本保证，现有技术中所采用的余热回收器纵深度大、结构庞大，清灰除尘极为不方便，且无法实现随时在线开机检查，提前发现隐患；

④在生产过程中不可对余热回收器进行在线维护、维修，不但使铝电解槽烟气余热回收系统不能正常运行而且让工艺生产设备铝电解槽也不能正常运行。

⑤无法保证余热回收器内烟气与被加热介质的温差达到工程实际应用的合理值范围。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种铝电解烟气余热利用系统，在电解铝生产过程中，电解槽会不断产生出高温气体，这些烟气虽然混入了部分空气，但在到达净化除尘系统时温度仍高达120℃，即使在冬季，也达到80℃，而除尘系统中的布袋在这样的温度下使用寿命将明显缩短，并且大量的高温空气排放人大气中也是一种能源浪费和热污染。因此本实用新型在电解烟气进入除尘系统前把温度降下来，并将热量回收利用，通过在电解烟气主烟气管道上安装管式换热器，高温电解烟气余热通过换热器将冷水加热，即可取代锅炉供暖、员工洗浴及生活热水所需，达到铝电解烟气余热回收利用目的。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种铝电解烟气余热利用系统，包括设置在烟气排出位置的烟气换热器，烟气换热器的冷媒进出口连通采暖系统，所述烟气换热器包括：

设置在烟气管道上的横管换热器1和竖管换热器2；

以及，设置在管道弯折处的引风机3；

沿烟气流动方向，横管换热器1位于竖管换热器2的前级，竖管换热器2位于引风机3的前级。

所述横管换热器1和竖管换热器2结构相同，均包括换热器主体6，换热器主体6上有盘旋设置有换热管，与换热管垂直设置有若干相互平行的换热板，换热管插入各个换热板中，各换热板间有供烟气通过的间隙，换热管与进出口连通采暖系统的循环水。

所述换热器主体6的前级设置有烟气进口导流板5，后级设置有烟气出口导流板7，烟气出口导流板7设置在支撑平台上。

所述换热管为螺旋翅片管，采用高频电阻焊连续焊接，翅片为环形，均匀布置于管外；所述横管换热器1和竖管换热器2的迎风面布置有防磨假管，用于将磨损最厉害的第一排换热管的磨损提前到假管上。

所述烟气由进气口进入横管换热器1和竖管换热器2，与螺旋翅片管进行热交换，将热量传给螺旋翅片管内的冷水，冷水经泵升压后进入螺旋翅片管内，在螺旋翅片管内通过折返流动，逐排流过螺旋翅片管，在螺旋翅片管内吸收烟气的热量并逐渐升温，最后由出口流出，热烟气经过螺旋翅片管后，达到工艺温度要求的冷却烟气由出气口排出。

所述横管换热器1和竖管换热器2均分成3-4个模块，每个模块的进出口均安装有阀门，模块间并联运行。

所述横管换热器1和竖管换热器2的烟气入口处布置有声波吹灰器，定时进行吹灰。

所述采暖系统的循环水采用软化水，循环泵站安装有水—水换热器，利用烟气换热产生的70℃以上的热水通过水—水换热器，与冷水进行热交换，将洗浴用水加热到50℃以上，直接供应到浴室，水—水换热器设计成管壳式换热器的形状，并且封头处采用法兰连接，所述烟气的流速控制在8m/s。

在横管换热器1后方的烟道中，设置矩阵式温度监测式检漏仪，每隔一段间距实时监测每一个温度点的温度变化，当某点温度上下波动超过整体波动的平均值5℃以上时，发出报警信号，从而可以定性、定位地确定横管换热器1是否发生了泄漏。

本实用新型利用烟气换热器使烟气余热与采暖循环水进行热交换，将采暖循环水升温至70℃以上，供采暖系统使用；

利用部分所述70℃以上的水与洗浴用水进行水水热交换，将洗浴用水升温至50℃以上，供浴室洗浴使用。

与现有技术相比，本实用新型充分利用了铝电解烟气余热，同时满足换热和除尘要求，产生的热水(冬季产生的热水温度不低于70℃)进行循环，实现采暖供热和职工洗澡热水的供应。

附图说明

图1是本实用新型烟气余热利用系统示意图。

图2是烟气换热器主体示意图。

图3是换热器示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本实用新型的实施方式。

为了利用铝电解烟气的余热，本实用新型的技术思路是：

在烟气排出位置安装一套烟气换热器，烟气换热器的冷媒进出口连通采暖系统：

利用烟气换热器使烟气余热与采暖循环水进行热交换，将采暖循环水升温至70℃以上，供采暖系统使用；

利用部分所述70℃以上的水与洗浴用水进行水水热交换，将洗浴用水升温至50℃以上，供浴室洗浴使用。

如图1和图2所示，烟气换热器包括：

设置在烟气管道上的横管换热器1和竖管换热器2；

以及，设置在管道弯折处的引风机3；

沿烟气流动方向，横管换热器1位于竖管换热器2的前级，竖管换热器2位于引风机3的前级。

横管换热器1和竖管换热器2结构相同，均包括换热器主体6，如图3所示，换热器主体6安装在支撑平台8上，其上有盘旋设置的换热管，与换热管垂直设置有若干相互平行的换热板，换热管插入各个换热板中，各换热板间有供烟气通过的间隙，换热管与进出口连通采暖系统的循环水，换热器主体6的前级设置有烟气进口导流板5，后级设置有烟气出口导流板7，烟气出口导流板7设置在支撑平台上。

通过烟气换热器可以将冷水升温至70℃以上，满足小区域采暖和厂区澡堂洗澡热水的需要。其主要核心部件采用的是横管换热器1和竖管换热器2，采用螺旋翅片管作为传热元件达到回收烟气中热能的目的。设备安装时与烟气管道相连接，作为热烟气管道的一部分，烟气由进气口进入设备，与设备内横向布置的高效强化传热元件——螺旋翅片管进行热交换，将热量传给翅片管内的冷媒——水，热烟气经过翅片管后，达到工艺温度要求的冷却烟气由出气口排出。冷水经泵升压后进入翅片管内，在翅片管内通过折返流动，逐排流过翅片管，在翅片管内吸收气体的热量并逐渐升温，最后由出口流出，如图3所示。

热水供应工艺：烟气换热器作为采暖系统一级换热器，利用循环泵加压循环——即烟气换热器将采暖循环水加热到70℃以上的温度，利用原采暖系统闭路循环，替代原有锅炉汽水换热器换热方式；职工洗浴热水采用二级换热——即利用烟气换热产生的70℃热水再次水水热交换(管壳式水水换热器)将洗澡水加热到50℃以上，直接供应浴室洗浴热水，满足职工的洗浴热水需求，实现厂区浴室的热水供应需求，替代原有蒸汽加热冷水的方式。

利用电解烟气的余热来加热循环水，对水质要求，需用软化水，或有除垢加药装置等，产生的热水(冬季产生的热水温度≮70℃)进行循环，实现采暖供热和职工洗浴热水的供应。

本实用新型主要技术的关键点：

①、烟气换热器

烟气换热器为气水换热器，使用螺旋翅片管，管内走水，管外走气体。因为水的表面对流传热系数1000-15000W/m².K，而气体的为20-100W/m².K，所以烟气与水进行热交换的主要障碍在于换热管的外表面(烟气侧)。在换热管外表面进行强化传热，在单位体积内尽量大的扩展换热面。螺旋翅片管特点：螺旋翅片管采用高频电阻焊连续焊接，翅片与基管的融合率在99％以上；翅片为环形均匀布置于管外，翅化效率高。

因强化传热的效率最高，所以换热器的排数少，阻力最小。考虑换热器的使用寿命，其主要影响因素是磨损。可在换热器迎风面加装防磨假管，从而将磨损最厉害的第一排管子的磨损提前到假管上。

换热器可在线部分解列：考虑到换热器如果出现故障，不至于全部切除影响正常生产，并且考虑到现场安装位置十分紧凑，无法使用大型起重设备。因此将换热器分成3-4个模块，每个模块的进出口均安装有阀门，每个模块为并联运行。如此以来，如果某个模块发生故障，只用将该模块的进出口阀门关闭即可，不至于影响其他模块的运行。

②、防止换热器发生磨损技术

烟气流速的选择：烟气流速的选择主要考虑两个方面，一个是受热面的磨损，另外一个是烟气侧阻力。受热面磨损与烟速的3.3次方成正比，而烟气侧阻力与烟速的平方成正比。实际计算表明，烟气流速大于10m/s以后，烟气侧阻力急剧增大。但是烟速太低，换热系数会较小，换热器面积过大。烟速越高，传热系数越大，烟气余热利用系统重量越小。考虑到烟速的变化并非只是单纯影响换热系数，过高的烟速会增加烟风阻力，同时管束磨损加剧。综合考虑上述情况，本实用新型中的烟速设计在8m/s左右，满足安全性和经济性要求。

换热器材质的选择：迎风面第1排的换热管采用定制厚壁无缝钢管的形式，采用32×5的规格。钢材型号则选用硬度更高的16Mn钢，高锰钢是历史最悠久的一种耐磨材料。16Mn含碳量为0.1％-0.25％，加入的合金元素为锰、硅、钒、铌和钛等。16Mn是老国标牌号，现在将其归入了低合金高强度结构钢，现在的牌号称为Q345，但是需要注意的是，Q345钢是老牌号的12MnV、14MnNb、18Nb、16MnRE、16Mn等多个钢种的替代，而并非仅替代16Mn钢一种材料。

主动防磨措施的选择：受热面的磨损主要是灰粒对管子的冲击和切削作用，在管子周围与水平线成30°部位磨损最厉害。顺列布置由于气流方向改变，第一排磨损最厉害，以后各排磨损量比第一排低30％-40％。在烟气换热器迎风面采用安装假管的防磨措施，从而将磨损最严重的前排换热管保护起来，该种办法可有效的降低磨损，延长换热器的使用寿命。

③、防积灰技术

在进行换热面的计算时，将烟气流速取定为8m/s，而根据锅炉设计手册及运行经验看，烟气流速低于6m/s，积灰才容易产生。在每台换热器的进口布置一台WSB型声波吹灰器，对换热器定时进行吹灰。由于换热器的烟气流速足够高，换热器表面的积灰基本上是干燥的浮灰，因此通过声波吹灰器将其震动、脱离管束表面的吸附，可以被烟气带走。

④、烟气余热利用系统型式及材料选择

由于烟气余热利用系统的传热温差小，为使受热面结构紧凑以减小体积，并减少材料耗量，传热管必须采用扩展受热面强化传热。翅片管作为换热元件，由于制造工艺简单，能增大管外换热面积，强化传热，因而在常规锅炉设计与改造、利用中低温余热的余热锅炉以及其它换热设备中得到了广泛的应用。另外，翅片管可以提高传热管外壁面的温度，有利于减缓低温腐蚀。因此，通常在烟气余热利用系统的传热管采用高频焊接螺旋翅片管，焊接方式采用连续高频电阻焊，可保证翅片与基材的焊接率大于99.5％。换热管第1、2排采用16Mn，其余采用20G，如图2所示。

⑤、烟气侧阻力

由于在烟道中设置了换热器，因此烟气侧阻力会增加。为了避免阻力增加太多，引风机出力不够，必须进行扩展烟道，同时控制烟气流速。在最大烟气量时，换热器阻力小于200Pa，在最小烟气量时，换热器阻力小于120Pa。

由于烟气对于温度的变化十分敏感，所以当烟气温度下降后，其体积也减小了，烟气密度有所增加，因此对于换热器后方的除尘器及引风机而言，工作效率都是有所增加。

在安装过程中，如果现场具备条件的话，尽可能的增加进、出口烟道的长度，从而可以有效减小导流板增加的阻力。

通过声波吹灰器清除换热器的积灰，从而较少换热器积灰增加后给设备增加的阻力。

⑥、防止换热器内结垢的措施

加热供暖循环水的水—水换热器，要求供暖循环水采用软化水，从而在换热器的放热段基本不会结垢。加热洗浴水的水—水换热器，因为洗浴水是采用自来水或地下水直接进行加热，不能软化处理，因此必须考虑水—水换热器的结垢问题，否则换热器无法正常运行。水—水换热器设计成管壳式换热器的形状，并且封头处采用法兰连接，随时可以进行拆卸进行清洗；水水换热器的管子采用大口径管，防止结垢将其堵死。

⑦、防止泄漏的措施

安装泄漏报警仪：由于烟气换热器安装在布袋除尘器的进口烟道上，换热器一旦发生泄漏会造成严重的生产事故，并且对布袋除尘器影响很大，所以电解槽烟气余热回收必须保证不能发生泄漏。安装矩阵式温度监测式检漏仪：由于换热管发生泄漏后，无论多么的微小，首先在泄漏处会使烟气温度发生降低，因此矩阵式温度监测式检漏仪就是利用了换热器泄漏的这一特性，将烟气换热器后方的烟道截面按照一定的间距实时监测每一个温度点的温度变化，当某点温度上下波动超过整体波动的平均值5℃以上时，向净化车间操作室发出报警信号，从而可以定性、定位的确定换热器是否发生了泄漏。该种检漏方式准确性高，定位准确，可以在早期微小泄漏时及时发现，并且可以确定泄漏的位置，指导解列某一个换热器模块。

如下为一个具体的实施例，该实施例在申请人企业内部保密实施。

中国铝业青海分公司三个电解厂共有九个电解烟气净化系统，其排烟温度为85℃～100℃、设计单台槽烟气量为8500m³/h，经过测算，公司烟气中含有大量的热值，具有很好的利用价值。2014年三电解106台电解槽烟气余热利用项目已实施完成，替代了三电解片区采暖负荷及一二三电解澡堂热水，替代热负荷3.54Mw(5.05t/h蒸汽)。二电解东部净化烟气余热利用项目实施完成(100台)，替代厂前区采暖和机修公司新澡堂热水热负荷3.3Mw(4.7t/h蒸汽)。2015年计划实施三个电解厂未利用的370台电解槽烟气余热，目前项目正在实施阶段，替代公司锅炉房换热站采暖及厂区澡堂热水热负荷15.4Mw(22t/h蒸汽)。

采用烟气-水换热器及相关装置与现有的采暖系统、浴池管道相衔接，将电解烟气的余热转化为热水，实现公司厂区采暖和浴池热水供应，达到节能目的。

已实施项目主要内容：在三电解东部、中部、二电解东部净化系统中，分别在袋滤室入口处垂直烟道上各安装两套气--水热交换系统及配套的管线，将水温换热至70℃左右，分别输送到8.5换热站、5.5换热站、厂前三个换热站(三电解东部净化系统带8.5换热站，中部净化系统带5.5换热站，二电解东部净化系统带厂前换热站)，替代8.5换热站和5.5换热站、厂前换热站所带的采暖系统；同时在每个换热站内各增设一台水--水换热器，换热后的热水(≥50℃)分别供一电解、二电解、三电解、板带公司及检修公司浴池。根据运行情况，冬季三电解东、中部烟气换热系统全部投用，夏季通过管线阀门切换，一用一停保证浴池热水供应。

选择的六套烟气换热器总热量为6.84MW；5.5、8.5、厂前换热站供热负荷和一、二、三电解、板带、机修公司洗澡热负荷共计6.35MW；完全满足三电、厂前片区冬季采暖和职工洗澡需求。

项目实施的意义：在不影响净化效率的情况下，充分利用电解净化系统高温烟气、实现采暖系统及浴池热水的余热利用，最终实现公司燃气锅炉减少运行时间或基本停运，达到节省燃气费用，降低能耗和成本地目的。

截至目前三电解东中部、二电解东部实施的三套余热利用系统运行正常，保证三电解、厂前片区采暖的同时，也满足了一二三电解及板带、机修公司浴池的热水供应。

根据以上实施例，三电解中、东部、二电解东部烟气余热利用项目于2014年11月、2015年元月相继投运。替代了5.5换热站、8.5换热站、厂前换热站供热及一、二、三电解、板带厂、机修公司职工洗澡热负荷，经两个月及最冷温度情况下的运行测试，采暖供热温度大于70℃，供应浴池热水温度大于60℃，根据投运后监测的供回水温度和循环泵的参数计算，三电解中、东部烟气换热量大于3.54MW，二电解东部烟气换热量3.3MW，达到了项目预期目的。按照替代的热负荷计算，三电解中、东部烟气利用年可节约蒸汽2.3万吨，二电解东部烟气利用年可节约蒸汽2.1万吨，按吨蒸汽消耗天然气90m³，燃气单价1.71元/m³计算，全年节约燃气费用677万元。

可见，本实用新型电解烟气余热利用技术效果显著，可在青海省电解铝行业进行推广应用，也可在冶金，水泥，化工等其它行业应用，对节能减排有一定的促进作用，值得推广。

Claims (9)

1.一种铝电解烟气余热利用系统，包括设置在烟气排出位置的烟气换热器，烟气换热器的冷媒进出口连通采暖系统，其特征在于，所述烟气换热器包括：

设置在烟气管道上的横管换热器(1)和竖管换热器(2)；

以及，设置在管道弯折处的引风机(3)；

沿烟气流动方向，横管换热器(1)位于竖管换热器(2)的前级，竖管换热器(2)位于引风机(3)的前级。

2.根据权利要求1所述铝电解烟气余热利用系统，其特征在于，所述横管换热器(1)和竖管换热器(2)结构相同，均包括换热器主体(6)，换热器主体(6)上有盘旋设置有换热管，与换热管垂直设置有若干相互平行的换热板，换热管插入各个换热板中，各换热板间有供烟气通过的间隙，换热管与进出口连通采暖系统的循环水。

3.根据权利要求2所述铝电解烟气余热利用系统，其特征在于，所述换热器主体(6)的前级设置有烟气进口导流板(5)，后级设置有烟气出口导流板(7)，烟气出口导流板(7)设置在支撑平台上。

4.根据权利要求2所述铝电解烟气余热利用系统，其特征在于，所述换热管为螺旋翅片管，采用高频电阻焊连续焊接，翅片为环形，均匀布置于管外；所述横管换热器(1)和竖管换热器(2)的迎风面布置有防磨假管，用于将磨损最厉害的第一排换热管的磨损提前到假管上。

5.根据权利要求4所述铝电解烟气余热利用系统，其特征在于，所述烟气由进气口进入横管换热器(1)和竖管换热器(2)，与螺旋翅片管进行热交换，将热量传给螺旋翅片管内的冷水，冷水经泵升压后进入螺旋翅片管内，在螺旋翅片管内通过折返流动，逐排流过螺旋翅片管，在螺旋翅片管内吸收烟气的热量并逐渐升温，最后由出口流出，热烟气经过螺旋翅片管后，达到工艺温度要求的冷却烟气由出气口排出。

6.根据权利要求2所述铝电解烟气余热利用系统，其特征在于，所述横管换热器(1)和竖管换热器(2)均分成3-4个模块，每个模块的进出口均安装有阀门，模块间并联运行。

7.根据权利要求2所述铝电解烟气余热利用系统，其特征在于，所述横管换热器(1)和竖管换热器(2)的烟气入口处布置有声波吹灰器，定时进行吹灰。

8.根据权利要求2所述铝电解烟气余热利用系统，其特征在于，所述采暖系统的循环水采用软化水，循环泵站安装有水—水换热器，利用烟气换热产生的70℃以上的热水通过水—水换热器，与冷水进行热交换，将洗浴用水加热到50℃以上，直接供应到浴室，水—水换热器设计成管壳式换热器的形状，并且封头处采用法兰连接，所述烟气的流速控制在8m/s。

9.根据权利要求2所述铝电解烟气余热利用系统，其特征在于，在横管换热器(1)后方的烟道中，设置矩阵式温度监测式检漏仪，每隔一段间距实时监测每一个温度点的温度变化，当某点温度上下波动超过整体波动的平均值5℃以上时，发出报警信号，从而定性、定位地确定横管换热器(1)是否发生了泄漏。